Slik avslørte oksygen- og neonkollisjoner et «fingeravtrykk» av atomkjernen

Kollisjonene hadde en energi på 5,36 TeV per nukleonpar i massesenteret. Det gjorde det mulig for ALICE å undersøke kollektiv oppførsel i systemer som er langt mindre enn bly–bly-kollisjonene som vanligvis forbindes med studier av kvark–gluonplasma.

Et viktig tegn på plasma i oksygenkollisjoner

Kvark–gluonplasma er en ekstremt varm og tett tilstand der kvarker og gluoner ikke lenger er bundet inne i individuelle hadroner, som protoner og nøytroner. En måte å lete etter plasmaet på er å undersøke hvordan energirike partoner – bestanddelene som senere inngår i partikler som pioner – påvirkes når de beveger seg gjennom mediet.

ALICE målte en undertrykkelse av høyenergipioner som stemmer med at partonene mister energi i oksygen–oksygen-kollisjoner. Samarbeidet omtaler energitapet som tydelige bevis på dannelse av kvark–gluonplasma og som en utvidelse av dette karakteristiske signalet til det minste kjernesystemet som hittil er undersøkt.

ALICE målte også anisotrop kollektiv strømning, blant annet elliptisk strømning (v₂) og trekantet strømning (v₃), i både oksygen–oksygen- og neon–neon-kollisjoner. Koeffisientene beskriver om partiklene fordeler seg med en foretrukket retning rundt kollisjonsaksen. De tydelige verdiene og avhengigheten av kollisjonens sentralitet er forenlige med en hydrodynamisk, væskelignende oppførsel i systemet som dannes.

Partikkelflyten avslører kjernenes form

Sammenligningen fungerer fordi oksygen-16 og neon-20 ikke har samme form. Oksygen-16 er forholdsvis rundt, mens neon-20 forventes å være avlangt og prolat – en form som ofte sammenlignes med en bowlingkjegle. Kollisjonsdataene støtter nå denne beskrivelsen.

Når to atomkjerner kolliderer, er overlappingsområdet i utgangspunktet ikke nødvendigvis sirkelformet. Denne geometrien påvirker hvordan den varme materien utvider seg, og utvidelsen kan leses av i vinkelmønsteret til partiklene som sendes ut.

I sentrale neon–neon-kollisjoner fant ALICE en større elliptisk strømningskoeffisient, v₂, enn i oksygen–oksygen-kollisjoner. Det er nettopp det man forventer dersom neonets avlange form gir et sterkere elliptisk avtrykk enn oksygenets mer kuleformede geometri.

Beregninger av kjernestruktur og hydrodynamiske simuleringer gjenskaper forskjellene mellom de to kollisjonssystemene. At modellene stemmer med målingene, støtter en forklaring basert på kjernenes geometri – og ikke bare tilfeldige fluktuasjoner.

Forskerne kan dermed utlede formen på en atomkjerne fra strømningsmønsteret i kollisjonens etterspill. Selve kollisjonen skjer for raskt til å kunne avbildes direkte, men partikkelskyens «fingeravtrykk» bevarer informasjon om utgangskonfigurasjonen.

Hvorfor er resultatet viktig?

Mindre systemer kan fortsatt oppføre seg som en væske

Bly–bly-kollisjoner skaper større og mer langvarige ildkuler, noe som gjør kollektive effekter enklere å observere. Oksygen og neon befinner seg i et mellomområde mellom proton–proton-kollisjoner og kollisjoner mellom tunge ioner.

Studier av disse lette ionene gjør det mulig å undersøke hvordan størrelsen og tettheten i kollisjonssystemet påvirker fremveksten av kollektiv oppførsel.

Resultatene tyder på at oksygenkollisjoner fortsatt kan vise både energitap hos partoner og kollektiv strømning. Hvor nøyaktig disse signalene henger sammen med egenskapene til mediet, er likevel fortsatt et aktivt forskningsområde.

Kollisjoner blir et nytt verktøy for kjernestruktur

Eksperimentet gir også en alternativ metode for å studere atomkjerner. I stedet for å undersøke en stillestående kjerne gjennom en konvensjonell spredningsprosess kan forskerne sammenligne den kollektive strømningen som oppstår når kjerner med ulik indre form kolliderer.

Kontrasten mellom oksygen og neon kan bidra til å begrense startbetingelsene som brukes i modeller av kollisjoner mellom tunge ioner.

Et vindu mot universets første øyeblikk

Kvark–gluonplasma ligner den ekstreme materietilstanden som antas å ha fylt universet i de første mikrosekundene etter Big Bang, før kvarker og gluoner ble bundet sammen i protoner, nøytroner og andre hadroner.

Kollisjoner med lette ioner gir forskerne et mer kontrollerbart system for å studere denne urtilstanden. Samtidig kan de undersøke grensen mellom kollisjoner som danner et væskelignende medium, og systemer som ikke gjør det.

Hva skjer videre?

Kildematerialet oppgir ingen bekreftet tidsplan eller en konkret liste over kjerner som er lettere enn oksygen, for kommende eksperimenter. Det peker likevel mot videre sammenligninger mellom lette ionsystemer for å kartlegge hvor lite og tett et system kan være og fortsatt vise kvark–gluonplasma-lignende oppførsel. Kjerner med tydelige former kan samtidig brukes til å forbedre modellene for kollisjonens startgeometri.

Denne usikkerheten er en del av selve forskningsspørsmålet. Oksygen og neon ligger nær grensen for små kollisjonssystemer, og fremtidige målinger må derfor skille stadig mer presist mellom effekter fra kjernenes form, fluktuasjoner i utgangstilstanden og ekte energitap som skyldes mediet.

Foreløpig har ALICE etablert to sammenknyttede funn: Oksygenkollisjoner viser et viktig kjennetegn på kvark–gluonplasma, og sammenligningen mellom oksygen og neon kan gjøre kollisjonsrestene om til et verktøy for å studere atomkjernens form.