Hoe botsingen met zuurstof en neon een piepklein quark-gluonplasma onthulden

De botsingen vonden plaats bij een massamiddelpuntenergie van 5,36 TeV per nucleonpaar. Daardoor kon ALICE collectief gedrag bestuderen in systemen die veel kleiner zijn dan de lood-loodbotsingen die traditioneel centraal staan in onderzoek naar QGP.

Wat zag ALICE in zuurstofbotsingen?

Quark-gluonplasma is een extreem hete en dichte toestand waarin quarks en gluonen niet langer opgesloten zitten in afzonderlijke hadronen, zoals protonen en neutronen. Een manier om zo’n medium te herkennen, is te onderzoeken wat er gebeurt met energierijke partonen: de bouwstenen die later deeltjes zoals pionen vormen.

ALICE zag dat hoogenergetische pionen minder vaak werden geproduceerd dan verwacht. Die onderdrukking past bij energieverlies van partonen terwijl ze door het medium bewegen. Volgens de samenwerking is dit duidelijke bewijs voor de vorming van QGP en wordt daarmee een belangrijk kenmerk van het plasma uitgebreid naar het kleinste nucleaire botsingssysteem waarin het tot nu toe is onderzocht.

Daarnaast mat ALICE anisotrope collectieve stroming, waaronder elliptische stroming (v₂) en driehoekige stroming (v₃), in zowel zuurstof-zuurstof- als neon-neonbotsingen. Deze stromingscoëfficiënten beschrijven voorkeursrichtingen in de verdeling van de deeltjes die rond de botsingsas worden uitgezonden. Hun aanzienlijke waarden en hun afhankelijkheid van de centraliteit van de botsing passen bij vloeistofachtig, hydrodynamisch gedrag van het gevormde systeem.

Hoe de deeltjesstroom de vorm van de kern onthulde

De vergelijking tussen zuurstof en neon werkt omdat de twee kernen niet dezelfde vorm hebben. Zuurstof-16 is relatief rond. Neon-20 wordt daarentegen voorspeld — en de botsingsgegevens ondersteunen dat beeld — als een langgerekte, prolate kern, vaak vergeleken met een bowlingpin.

Wanneer twee atoomkernen botsen, is het overlappende gebied niet altijd cirkelvormig. Die begingeometrie beïnvloedt hoe de hete materie uitzet. De uitzetting wordt vervolgens zichtbaar in de hoekverdeling van de deeltjes die uit de botsing komen.

In centrale neon-neonbotsingen vond ALICE een grotere elliptische stromingscoëfficiënt, v₂, dan in zuurstof-zuurstofbotsingen. Dat is precies wat verwacht wordt als de langgerekte vorm van neon een sterker elliptisch patroon achterlaat dan de meer bolvormige geometrie van zuurstof.

Berekeningen van de kernstructuur en hydrodynamische simulaties reproduceren de waargenomen verschillen tussen beide botsingssystemen. Die overeenstemming ondersteunt de uitleg dat de patronen vooral door de kerngeometrie worden veroorzaakt, en niet uitsluitend door willekeurige fluctuaties.

De onderzoekers leidden zo de vorm van een kern af uit het stromingspatroon dat na de botsing ontstaat. De botsing zelf is te kortstondig om rechtstreeks te worden ‘gefotografeerd’, maar de deeltjesafdruk in het puin bewaart informatie over de oorspronkelijke configuratie.

Waarom is dit resultaat belangrijk?

Ook een klein systeem kan QGP-achtig gedrag vertonen

Lood-loodbotsingen creëren grotere en langer levende vuurbollen, waardoor collectieve effecten gemakkelijker te meten zijn. Zuurstof en neon bevinden zich in een tussengebied tussen proton-protonbotsingen en botsingen van zware ionen. Ze bieden natuurkundigen de mogelijkheid om de omvang en dichtheid van het botsingssysteem als het ware af te stellen en te onderzoeken wanneer collectief gedrag ontstaat.

Dat maakt lichte ionen geschikt om te testen hoe klein een systeem kan worden terwijl het nog hydrodynamische eigenschappen vertoont die met quark-gluonplasma worden geassocieerd. De beschikbare resultaten wijzen erop dat zuurstofbotsingen zowel energieverlies van partonen als collectieve stroming kunnen laten zien. De precieze relatie tussen die signalen en de eigenschappen van het medium wordt nog onderzocht.

Botsingen worden een nieuwe sonde voor kernstructuur

Het experiment biedt ook een aanvullende methode om de structuur van atoomkernen te bestuderen. In plaats van een stilstaande kern met een traditionele verstrooiingsexperiment te onderzoeken, vergelijken onderzoekers de collectieve stroming die ontstaat wanneer kernen met verschillende intrinsieke vormen botsen. Het contrast tussen zuurstof en neon helpt de beginvoorwaarden in modellen van botsingen tussen zware ionen beter vast te leggen.

Een kijkje op de eerste momenten van het heelal

Quark-gluonplasma lijkt op de extreme toestand van materie die het heelal tijdens de eerste microseconden na de oerknal kan hebben gevuld, voordat quarks en gluonen zich opsloten in protonen, neutronen en andere hadronen. Botsingen met lichte ionen geven onderzoekers een beter instelbaar systeem om die oervorm van materie te bestuderen. Tegelijk kunnen ze onderzoeken waar de grens ligt tussen nucleaire botsingen die een vloeistofachtig medium opleveren en botsingen die dat niet doen.

Wat gebeurt er hierna?

De aangeleverde bronnen noemen geen bevestigd tijdschema en ook geen specifieke lijst van kernen die lichter zijn dan zuurstof voor een volgende experiment. Wel wijzen ze op vervolgonderzoek waarin verschillende systemen met lichte ionen worden vergeleken. Daarmee willen onderzoekers bepalen welke minimale omvang en dichtheid nodig zijn voor QGP-achtig gedrag en modellen van de begingeometrie verbeteren met behulp van kernen met goed bekende vormen.

Die onzekerheid vormt zelf een belangrijk onderdeel van de wetenschappelijke vraag. Zuurstof en neon bevinden zich dicht bij de grens van kleine botsingssystemen. Toekomstige metingen zullen daarom steeds nauwkeuriger moeten onderscheiden tussen de invloed van kernvorm, fluctuaties in de beginfase en echt energieverlies dat door het medium wordt veroorzaakt.

Voorlopig levert ALICE twee nauw verbonden conclusies op: zuurstofbotsingen vertonen een belangrijk kenmerk van quark-gluonplasma, en de vergelijking tussen zuurstof en neon kan het uitdijende deeltjespuin gebruiken als meetinstrument voor de vorm van atoomkernen.