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粒子物理学家在ATLAS实验中研究“小爆炸”

2021-07-14 14:03          粒子物理 LHC欧洲核子研究中心
ATLAS背景简介
  • ATLAS 是欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)的通用粒子物理实验。它旨在利用 LHC 的全部发现潜力,推动科学知识的前沿。
  • ATLAS 由来自世界各地的物理学家、工程师、技术人员、学生和支持人员组成。它是科学领域有史以来规模最大的合作项目之一,拥有超过 5500 名成员和近 3000 名科学作者。
  • ATLAS 是有史以来为粒子对撞机建造的最大探测器:长 46 米,直径 25 米。它的建造突破了现有技术的极限。ATLAS 旨在记录 LHC 的高能粒子碰撞,该碰撞以每秒超过 10 亿次相互作用的速度在探测器中心发生。
  • ATLAS 物理学家正在研究物质的基本成分,以更好地理解它们相互作用背后的规则。他们的研究带来了突破性的发现,例如希格斯玻色子的发现。


一个高能光子撞击铅核的光子核碰撞事件显示。由ATLAS测量的在磁场中弯曲的带电粒子显示为热量计中的线和能量沉积(绿色和蓝色块)。在这个光核碰撞中,参与的铅核向左移动,而光子向右移动。

欧洲核子研究中心ATLAS合作小组在大型强子对撞机(LHC)研究了光子(光粒子)与铅核的相互作用。通过使用新的数据收集技术,物理学家们发现了与夸克胶子等离子体的实验特征惊人的相似。

大型强子对撞机在运行时,每年大约有一个月的时间用来对撞铅核。这种结构让物理学家有机会研究夸克-胶子等离子体(QGP),这是一种核正面碰撞时产生的高温高密度物质相。这些极端条件模拟了宇宙大爆炸后的第一微秒。物理学家很好地理解了QGP:它演变成一种近乎完美的流体,忠实地保留了其形成时的几何形状,并在演化结束时在粒子的动量分布中形成一系列图案。

但是当两个相邻的铅核几乎没有相撞时会发生什么呢?铅原子核,完全剥离了它周围的电子,拥有一个很大的电荷,可以引起各种有趣的过程。每个原子核的强电磁场可以看成是一束能量大的光子通量。这些光子可以与来自另一个原子核的入射光子相互作用,导致光对光散射过程。此外,一个高能光子也可以直接撞击另一个原子核,导致一种外来的“光核”碰撞。


图1:在光子核碰撞中测量的方位各向异性v2(红色)与在其他碰撞系统中测量的方位各向异性v2(灰色点)和理论预测(绿色)的比较。

在2018年大型强子对撞机的领先运行期间,ATLAS物理学家专注于光核事件的独特特性,以收集大样本进行研究。因为参与的铅核具有比光子大几十倍的动量,这些碰撞的产物被“推进”(移动)向铅核的方向。上面的事件显示了导致这种情况的粒子的不对称分布。这种不对称模式的特性使科学家能够有效地筛选数十亿次普通的对称铅-铅碰撞,并找到罕见的光核事件。

在最近发表的一篇论文中,ATLAS的物理学家们惊讶地发现,一些最高能的光核碰撞显示出了产生与铅-铅正面碰撞相同的高温高密度QGP的证据!具体而言,粒子在横平面上表现出方位动量各向异性(v2)。这种特征通常被解释为QGP形成的证据,因为它产生于沿QGP一个轴的压力梯度大于另一个轴的压力梯度。图1表明,光核事件中的v2值与质子-质子和质子-铅碰撞中的v2值相当。这些数据提供了一个诱人的建议,夸克胶子等离子体可能形成,甚至在这些奇异的,小型碰撞系统。

大多数关于这些动量各向异性的理论模型都依赖于由夸克和胶子组成的碰撞体。天真地说,在一个碰撞粒子中有一个是简单的、无结构的光子的系统中发现这样的效应是令人惊讶的!然而,在足够大的能量下,光子的波函数是许多态的叠加,包括一些强子(由夸克和胶子组成的粒子)。因此,这些测量提供的碰撞系统与传统上用于研究夸克-胶子等离子体的系统具有非常不同的初始结构,并可作为实验学家和理论家的测试。

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