Små atomkerner afslører et fingeraftryk fra det tidlige univers

Kollisionerne blev udført ved en massecentrumenergi på 5,36 TeV pr. nukleonpar. Det gav ALICE mulighed for at undersøge kollektiv opførsel i systemer, der er langt mindre end de bly-bly-kollisioner, som traditionelt forbindes med studier af kvark-gluon-plasma.

Et lille system viser tegn på plasma

Kvark-gluon-plasma er en ekstremt varm og tæt tilstand af stof, hvor kvarker og gluoner ikke længere er bundet inde i enkelte hadroner – de partikler som protoner, neutroner og pioner hører til blandt.

En måde at lede efter plasmaet på er at undersøge, hvordan energirige partoner påvirkes, når de bevæger sig gennem mediet. Partonerne er byggestenene, der senere danner partikler som for eksempel pioner.

ALICE målte en undertrykkelse af højenergipioner, som stemmer overens med, at partoner mister energi i ilt-ilt-kollisioner. Samarbejdet beskriver energitabet som et tydeligt bevis på dannelse af kvark-gluon-plasma og som en udvidelse af dette karakteristiske signal til det hidtil mindste undersøgte kernesystem.

ALICE målte desuden anisotropt kollektivt flow – blandt andet elliptisk flow (v₂) og trekantet flow (v₃) – i både ilt-ilt- og neon-neon-kollisioner. Flow-koefficienterne beskriver, om partiklerne især bevæger sig i bestemte retninger rundt om kollisionsaksen. Deres betydelige størrelser og afhængighed af kollisionscentraliteten passer med en hydrodynamisk, væskelignende opførsel i det skabte system.

Partikelstrømmen afslører atomkernens form

Sammenligningen mellem ilt og neon er særlig interessant, fordi de to atomkerner ikke har samme form. Ilt-16 er forholdsvis rund, mens neon-20 ifølge beregninger – og nu også kollisionsdata – har en aflang, prolat form, der ofte sammenlignes med en bowlingkegle.

Når to atomkerner kolliderer, er det område, hvor de overlapper, ikke nødvendigvis cirkelrundt. Den oprindelige geometri påvirker, hvordan det varme stof udvider sig, og udvidelsen kan aflæses i de udsendte partiklers vinkelfordeling.

I centrale neon-neon-kollisioner fandt ALICE en større elliptisk flow-koefficient, v₂, end i ilt-ilt-kollisioner. Det er netop, hvad man ville forvente, hvis neon-20s aflange form giver et stærkere elliptisk aftryk end ilt-16s mere kuglerunde geometri.

Beregninger af atomkerners struktur og hydrodynamiske simuleringer gengiver forskellene mellem de to kollisionssystemer. Overensstemmelsen støtter derfor en forklaring, hvor kernens geometri spiller den afgørende rolle, snarere end at mønsteret alene skyldes tilfældige udsving.

Forskerne har med andre ord udledt en atomkernens form ud fra det flowmønster, der opstår i kølvandet på en kollision. Selve kollisionen varer for kort tid til at kunne fotograferes direkte, men partiklernes samlede “fingeraftryk” bevarer information om den oprindelige konfiguration.

Hvorfor er resultatet vigtigt?

Kvark-gluon-plasma kan opstå i mindre systemer

Bly-bly-kollisioner skaber større og længerelevende ildkugler, hvilket gør kollektive effekter lettere at observere. Ilt og neon befinder sig i et mindre mellemområde mellem proton-proton-kollisioner og kollisioner med tunge ioner. Det gør det muligt at undersøge, hvordan et kollisionssystems størrelse og tæthed påvirker fremkomsten af kollektiv opførsel.

De lette ioner kan dermed hjælpe fysikerne med at finde ud af, hvor lille et system kan blive, før det ikke længere har de hydrodynamiske egenskaber, der forbindes med kvark-gluon-plasma. De foreliggende resultater tyder på, at iltkollisioner stadig kan vise både partonenergitab og kollektivt flow, selv om den præcise sammenhæng mellem signalerne og mediets egenskaber fortsat undersøges.

Kollisioner bliver et værktøj til at studere atomkerner

Eksperimentet giver samtidig en ny metode til at undersøge atomkerners struktur. I stedet for at studere en stillestående kerne med en traditionel spredningsproces kan forskerne sammenligne det kollektive flow, der opstår, når kerner med forskellige indre former kolliderer. Forskellen mellem ilt og neon kan dermed bruges til at forbedre de modeller, der beskriver kollisionssystemets oprindelige geometri.

Et vindue til universets første øjeblikke

Kvark-gluon-plasma minder om den ekstreme tilstand af stof, som menes at have fyldt universet i dets første mikrosekunder – før kvarker og gluoner blev bundet inde i protoner, neutroner og andre hadroner.

Kollisioner med lette ioner giver forskerne mulighed for at studere denne urtilstand i et mere kontrollerbart system. Samtidig kan de undersøge grænsen mellem kernesammenstød, der skaber et væskelignende medium, og systemer, der ikke gør.

Hvad skal undersøges nu?

De foreliggende kilder angiver hverken en bekræftet tidsplan eller en konkret liste over atomkerner, der er lettere end ilt, til kommende eksperimenter. De peger dog på, at yderligere sammenligninger mellem lette ionsystemer kan kortlægge den mindste størrelse og tæthed, der kræves for kvark-gluon-plasma-lignende opførsel. Kerner med veldefinerede former kan samtidig bruges til at forbedre modellerne for den oprindelige kollisionsgeometri.

Netop usikkerheden er en del af det videnskabelige spørgsmål. Ilt og neon ligger tæt på grænsen for, hvor små systemer kan være, og fremtidige målinger skal derfor i stigende grad skelne mellem effekter fra atomkernens form, tilfældige udsving i begyndelsestilstanden og reelt energitab, der skyldes mediet.

For nu står to resultater klart: Iltkollisioner viser et centralt signal for kvark-gluon-plasma, og sammenligningen mellem ilt og neon kan gøre kollisionsresterne til et præcist værktøj til at undersøge atomkerners form.