Детектор sPHENIX представил первые результаты изучения кварк-глюонной плазмы

Сигналы, зарегистрированные компонентами калориметра sPHENIX, измеряющего энергию частиц, образующихся при столкновениях золотых ионов с энергией 200 миллиардов электронвольт в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC). Автор: sPHENIX Collaboration

Детектор частиц sPHENIX, новейший эксперимент в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) при Брукхейвенской национальной лаборатории (США), представил первые научные результаты: точные измерения количества и плотности энергии тысяч частиц, возникающих при столкновениях ионов золота на околосветовых скоростях.

Как описано в двух статьях, принятых к публикации в журналах Physical Review C и Journal of High Energy Physics, эти измерения закладывают основу для детального изучения кварк-глюонной плазмы (КГП) — уникального состояния материи, существовавшего всего несколько микросекунд после Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Обе работы доступны на сервере препринтов arXiv.

Новые данные показывают, что чем более лобовыми являются столкновения ядер, тем больше заряженных частиц они производят и тем больше энергии несут эти «фейерверки» частиц. Это хорошо согласуется с результатами других детекторов, изучавших столкновения, порождающие КГП, начиная с 2000 года, подтверждая корректность работы нового детектора.

«Как новый и высокотехнологичный эксперимент, прошедший десятилетие планирования, строительства и ввода в эксплуатацию, мы прежде всего должны задаться вопросами: правильно ли работает детектор, точны ли наши калибровки и надежны ли pipelines обработки данных?» — сказал Цзинь Хуан, физик из Брукхейвенской лаборатории и сопредседатель коллаборации sPHENIX.

Трехчетвертной разрез промежуточного кремниевого трекера — одного из компонентов эксперимента sPHENIX, с линиями, представляющими траектории частиц, образовавшихся при столкновении ионов золота в RHIC. Автор: Brookhaven National Laboratory

Инновационные возможности sPHENIX

Среди передовых особенностей детектора — системы точного трекинга для восстановления траекторий частиц, включая редкие и важные частицы, образующиеся и распадающиеся на расстоянии в несколько микрон от центра столкновения. Также детектор оснащен полным набором калориметров для измерения энергии частиц.

Электромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов, а адронный калориметр — первый, окружающий центральную зону столкновений в RHIC — фиксирует энергию адронов, составных частиц из кварков.

«Трекинг-детекторы работают как гигантская 3D-камера. Они помогают четко видеть пути заряженных частиц даже при образовании тысяч частиц в лобовых столкновениях», — пояснил Хуан.

Комбинация компонентов и точность измерений позволяют ученым анализировать данные количественно. Например, можно точно измерить, насколько больше энергии выделяется при переходе от периферийных столкновений (под углом) к центральным (лобовым). Данные показывают, что центральные столкновения выделяют примерно в 10 раз больше энергии.

Точность также позволит ученым выявлять редкие сигналы, такие как образование тяжелых кварков вблизи точки столкновения, и полностью реконструировать джеты — узкие потоки частиц, возникающие из энергичных кварков или глюонов.

«В будущем мы будем использовать джеты как микроскоп для изучения структуры КГП», — отметил Деннис Перепелица, физик из Университета Колорадо.

Эти первые результаты стали возможны благодаря работе более 300 ученых sPHENIX, включая студентов и постдоков со всего мира, которые построили детектор, контролировали его работу и анализировали данные.

Дополнительная информация: Measurement of the transverse energy density in Au+Au collisions at √s_NN = 200$ GeV with the sPHENIX detector, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2504.02242
Measurement of charged hadron multiplicity in Au+Au collisions at √s_NN = 200$ GeV with the sPHENIX detector, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2504.02240

Источник: Brookhaven National Laboratory