De quantumchromodynamica. Quarkmaterie onder extreme temperatuur en dichtheid

Transcriptie

1 Quarkmaterie onder extreme temperatuur en dichtheid 4 Alle energie en materie van het heelal, evenals tijd en ruimte ontstonden zo n veertien miljard jaar geleden tijdens de oerknal. Protonen en neutronen ontstonden een korte tijd daarna uit een extreem heet gas met een extreem hoge dichtheid waarin quasivrije quarks en gluonen voorkwamen. Deze nieuwe verschijningsvorm van fundamentele materie het zogenoemde quark-gluonplasma is onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden nagebootst en zorgvuldig bestudeerd door middel van hoogenergetische botsingen tussen atoomkernen in grote deeltjesversnellers. Momenteel worden de hoogste energieën bereikt met de Relativistic Heavy-Ion Collider (Brookhaven, VS). Nog veel hogere energiedichtheden zullen worden bereikt met de Large Hadron Collider (CERN). Dit artikel geeft een beeld van de kennis die op dit moment is opgebouwd over deze bijzondere materietoestand. André Mischke De quantumchromodynamica (QCD) is de fundamentele theorie die de sterkste natuurkracht beschrijft, namelijk de sterke wisselwerking tussen quarks en gluonen. Lichte quarks en gluonen zijn de bouwstenen van atoomkernen en maken meer dan 99% van de zichtbare massa van het universum uit. Met deze theorie is een groot aantal fenomenen in de subatomaire fysica te verklaren. Een van de kenmerkende eigenschappen van QCD is de asymptotische vrijheid [1, 2]: de wisselwerking verzwakt als de kleurdragende quarks dichter bij elkaar komen, en neemt sterk toe wanneer deze gescheiden worden. Dat is de reden dat individuele quarks en gluonen, die in de normale wereld zijn opgesloten in kleurloze deeltjes, niet waargenomen kunnen worden. Een nieuwe verschijningsvorm Een fascinerend gevolg van asymptotische vrijheid is het feit dat quarks en gluonen alleen onder zeer extreme condities los van elkaar komen, namelijk bij een voldoende hoge temperatuur of dichtheid [3]. Deze bijzondere verschijningsvorm van materie, waarbij de fundamentele vrijheidsgraden worden losgelaten, wordt het quark-gluonplasma (QGP) genoemd. In de kosmologie gaat men er vanuit dat zo n tien microseconden na de oerknal het uitdijend heelal uit zo n plasma bestond, waarna een faseovergang plaatsvond waarin quarks en gluonen opgesloten werden in kleurloze hadronen, de deeltjes die we tegenwoordig kunnen waarnemen. Quarkmaterie kan vandaag de dag nog steeds in de kern van neutronensterren voorkomen, bij dichtheden die de kritische waarde overschrijden. Numerieke oplossin- André Mischke studeerde natuurkunde in Marburg en promoveerde in 2002 aan de Universiteit Frankfurt. Hij heeft meerdere jaren aan het STAR-experiment in de Verenigde Staten gewerkt en is nu betrokken bij het onderzoek aan zware-quarkproductie in het ALICE experiment op CERN. Hij was FOM postdoctoraal onderzoeker aan het Nikhef en heeft een Veni- en Vidibeurs ontvangen. Sinds 2008 is hij als UD leider van een ERC-Starting Group aan de Universiteit Utrecht. a.mischke@uu.nl

2 Figuur 1 QCD-berekeningen [4] van de temperatuurafhankelijkheid van de energiedichtheid ε (schaalt met T 4 ), die evenredig is aan het aantal vrijheidsgraden van een ideaal gas. De berekeningen worden gegeven voor verschillende aantallen quarksoorten (smaken). De kritische temperatuur T c en de temperaturen die vermoedelijk bereikt worden in de RHIC- en LHC-versnellers zijn ook aangegeven. De horizontale blauwe pijl verwijst naar de Stefan-Boltzmannwaarde voor een niet-wisselwerkend quark-gluongas. gen van de QCD-veldvergelijkingen geven aan dat dergelijke faseovergangen optreden bij een indrukwekkende kritische temperatuur van ongeveer 175 MeV / k B ( K) [4], bijna honderdduizend keer heter dan in de kern van de zon. De energiedichtheid van de materie bij de kritische temperatuur verandert enorm vanwege de toename van het aantal vrijheidsgraden gedurende de faseovergang van opgesloten naar vrije materie (zie figuur 1). De kritische temperatuur voor de vorming van een QGP komt overeen met een kritische energiedichtheid van ongeveer 0,7 GeV / fm 3 (1 GeV = 10 9 elektronvolt en 1 fm = m). Deze energiedichtheid kan worden bereikt in botsingen tussen zware atoomkernen bij zeer hoge energieën. Tijdens deze botsingen wordt de botsende materie in een paar femtometers verhit tot temperaturen die een kortstondige vorming van het QGP mogelijk zouden moeten maken (zie figuur 2 boven). Het zeer dichte medium zet snel uit en koelt af tot het de fasegrens passeert. Daarna verandert het weer in gewone (hadronische) materie, net zoals in het vroege heelal, maar dan op veel kleinere schaal en gedurende een veel kortere periode. Figuur 2 Indicatie voor het QGP Metingen van de impulsverdeling van de uitgezonden deeltjes (zie figuur 2 onder) en de vergelijking daarvan met hydrodynamische modelberekeningen hebben aangetoond dat de naar buiten stromende deeltjes zich collectief bewegen. Het bewegingspatroon van de deeltjes die daarbij ontstaan is het gevolg van variaties in de drukgradiënten kort na de botsing [5]. Dit fenomeen wordt elliptische stroming genoemd en de eigenschappen daarvan komen overeen met die van een vloeistof. Gevoelige metingen met de Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) van het Brookhaven National Laboratory (VS) suggereren dat het geproduceerde medium kleur-vrijheidsgraden heeft, gedragen door quarks en gluonen. Deze deeltjes stromen met een Boven: als zware atoomkernen botsen met een snelheid die de lichtsnelheid benadert, vallen de protonen en neutronen uiteen in hun bouwstenen quarks en gluonen en vormen dan een quark-gluonplasma (QGP) (met dank aan H. Weber, Universiteit Frankfurt). Onder: tijdens een botsing van zware atoomkernen wordt een vuurbal geproduceerd die uitzet, afkoelt, en vervolgens uiteenvalt in duizenden deeltjes, die informatie over het quarkgluonplasma dragen. Deeltjes die bij zulke botsingen ontstaan worden geregistreerd door grote detectoren, zoals de STAR-detector van de RHIC-versneller en de ALICEdetector van de LHC-versneller. Lood-loodbotsingen in de Large Hadron Collider genereren ten minste een factor 20 zoveel deeltjes (met dank aan het STAR-samenwerkingsverband). verwaarloosbare viscositeit. Daaruit blijkt dat het geproduceerde medium inderdaad een quark-gluonplasma is dat zich gedraagt als een bijna ideale vloeistof. In het beginstadium van de botsing kunnen paren van zeer energetische quarks en gluonen (partonen genoemd) worden gegenereerd door de harde botsing tussen de quarks en gluonen van de inkomende kernen. De verstrooide partonen verspreiden zich via het dichte medium naar buiten en kunnen hierbij worden vertraagd of geabsorbeerd en geven daarbij energie af. Dit is grotendeels 5 Figuur 3 Schets van een harde verstrooiing tijdens een proton-protonbotsing die tegengesteld georiënteerde jets van deeltjes (deeltjesbundels) produceren. In botsingen van zware atoomkernen verzwakt de aanwezigheid van het omringende dichte medium de eigenschappen van de bundel. januari 2010 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

3 Figuur 4 Links: de onderdrukkingsfactor R AA van elektronen die ontstaan uit het verval van zware quarks als functie van de transversale impuls [7], teruggebracht tot een eenheid als de botsingen van goudionen een eenvoudige superpositie van proton-protonbotsingen zijn. De deuterium-gouddata (groene symbolen) tonen zoals verwacht vrijwel geen verzwakking (R AA 1), terwijl de elektronenopbrengst bij botsingen van goudionen (rode symbolen) wordt teruggebracht tot hetzelfde niveau (R AA < 1) als wordt waargenomen bij lichte quarkdeeltjes (grijze baan). De verschillende modelberekeningen waarin jet-quenching is opgenomen worden door de curven weergegeven. Rechts: relatieve bijdrage van elektronen die ontstaan uit verval van bottomquarks. De groene curven illustreren de perturbatieve QCD-berekeningen. 6 vergelijkbaar met wat er gebeurt met röntgenstralen die door een weefsel gaan. De partonen vallen uiteen in jets van deeltjes met een hoge transversale impuls. Ter illustratie laat figuur 3 een situatie zien waarbij twee van deze jets beïnvloed worden door het omringende medium. Door de verzwakking van deze energetische jets kunnen de eigenschappen van het medium worden bestudeerd. Metingen in botsingen tussen zware atoomkernen bij de RHIC-versneller laten een forse verzwakking zien van de structuur van deze jets (jet quenching) in het geproduceerde medium [6]. Botsingen van protonen, waarbij de productie van een QGP onwaarschijnlijk is, laten geen verzwakking zien, en dienen daarom als een belangrijke controlemeting. Zware quarks als vingerafdruk Met name zware quarks (als charm en bottom) maken precieze en gedetailleerde studies van het medium mogelijk. Vanwege hun grote massa (260 tot 900 keer zwaarder dan lichte quarks) worden zware quarks overwegend in de beginfase van de botsing geproduceerd en geven ze gedurende de hele levensduur van het QGP ( 10 fm / c s) informatie door. De productie van zware quarks door warmteprocessen later in de botsing is laag, omdat de te verwachten energie die beschikbaar is voor het produceren van deeltjes in het medium lager is dan de energie die nodig is voor de productie van zware quarkparen. Theoretische modellen gebaseerd op perturbatieve QCD hebben voorspeld dat zware quarks een geringer verzwakking zouden moeten hebben dan lichte quarks, wanneer deze zich door het extreem dichte medium voortbewegen, als gevolg van de massa-afhankelijke onderdrukking (het zogenaamde dead-cone-effect). Verrassend genoeg wijzen RHIC-metingen aan botsingen van zware atoomkernen uit dat de elektronenopbrengst uit het verval van zware quarks evenzeer wordt onderdrukt als die van lichte quarks [7] (zie figuur 4 links). Jet-quenchingmodellen zijn momenteel nog onvoldoende in staat de waargenomen onderdrukking van de elektronenopbrengst te verklaren. Daarnaast zijn er aanwijzingen dat behalve de charmquarks ook de bottomquarks, die een grote bijdrage leveren aan het verval bij een hoog transversale impuls, enorm vertragen in het relatief lichte medium [8] (zie figuur 4 rechts). Recente modelberekeningen hebben aangetoond dat het energieverlies van zware quarks eerder plaats zou kunnen vinden door weerstandskrachten (drag force) dan door gluonstraling, momenteel gezien als het dominante mechanisme wat betreft jet-quenching. Het bepalen van de weerstandscoëfficiënt verschaft nieuwe inzichten in de dynamische eigenschappen van het sterk wisselwerkende medium (stopping power). In de toekomst De volgende grensverleggende generatie zware ionenexperimenten betreft de ALICE (A Large Ion Collider Experiment) detector van de Large Hadron Collider (LHC). Het kader toont een schematische weergave van de detector. De LHC [9, 10] maakt onderzoek mogelijk met botsingen tussen loodionen bij een centre-of-mass energie van 5,5 TeV per botsend kernenpaar, waardoor een totaal van 1144 TeV ( 0,2 mj) aan kinetische energie in een botsing wordt gebracht. De initiële energiedichtheid in de botsingzone is naar verwachting ongeveer een orde van grootte hoger dan bij de RHICversneller ( 10 GeV / fm 3 ). De hogere energiedichtheid zorgt ervoor dat er sneller een warmtebalans ontstaat en daardoor een relatief langdurende QGP-fase. De verwachting is dat de geproduceerde materie zich meer als een ideaal gas dan als een ideale vloeistof zal gedragen, zoals bij de RHICversneller is waargenomen. Het productieniveau van zware quarks bij de LHC-versneller zal een factor tien (charm) en honderd (bottom) hoger zijn dan bij de RHIC-versneller, hetgeen het mogelijk maakt om precisiemetingen van zware quarkdeeltjes uit te voeren. Kortlevende deeltjes, zoals D 0 met een vervalduur van c τ = 124 μm, worden veelal gereconstrueerd via hun verval in geladen deeltjes (bijvoorbeeld een kaon-pionpaar) waarbij gebruik wordt gemaakt van hun unieke vervaltopologie. De precisiebepaling van de secondaire vertices in het Inner Tracker System van het ALICE-experiment, waar de

4 De ALICE detector De ALICE-detector van de LHC-versneller wordt ingezet voor de studie van botsingen tussen loodionen bij een centre-of-mass energie van 1144 TeV ( 0,2 mj). Het is 16 m hoog en heeft een totale lengte van 26 m. De 18 verschillende detectorsystemen in combinatie met de elektromagneet, die een veldsterkte heeft van 0,5 T, brengen het totale gewicht van de ALICE-detector op ton. De detectorsystemen zijn opgesteld als uienschillen om het wisselwerkingspunt (in het midden van de detector) en zijn speciaal ontworpen om de precieze baan van duizenden deeltjes per botsing te bepalen. De binnenste detector is het inner tracking system (ITS). Het ITS bestaat uit zes lagen siliconendetectoren die rondom de 1 millimeter dikke bundel pijp zijn geplaatst. Deze detectoren maken een hoge-precisie tracking (resolutie van circa 50 μm) mogelijk om zo het vervalpunt te bepalen van kortlevende, strange-, charm-, en bottomquark dragende deeltjes, die veelal vervallen binnen enkele millimeters tot centimeters van het primaire wisselwerkingspunt. Het ITS is omgeven door het cilindrische vat van de Time Projection Chamber (TPC), het belangrijkste trackingapparatuur in ALICE. De TPC voorziet in een driedimensionale tracking van geladen deeltjes binnen een straal van 80 tot 250 cm vanaf het centrale wisselwerkingspunt. De deeltjesidentificatie wordt gecomplementeerd door de Transition Radiation (TRD) en de Time-of-Flight (ToF) detectoren. Fotonen worden gemeten met de Electro-Magnetic Calorimeter (EMCal) en de Foton Spectrometer (PHOS) in het centrale vat van ALICE en in de voorwaartse richting door de Photon Multiplicity Detector (PMD). Tevens bevindt zich een muonendetector met een eigen grote tweepolige magneet in de voorwaartse richting van een van de bundels van de versneller en achter een conische absorbeerder die in het centrale vat uitsteekt. Hogeimpuls hadronen worden herkend door de HMPIDdetector. Langs de bundellijn zijn nog meer detectoren geplaatst om de positie en de tijd van het primaire wisselwerkingspunt vast te stellen. Aan ALICE werken meer dan 1000 natuurkundigen uit 30 verschillende landen samen. Aan het ontwerp en de constructie van de detector is bijna 20 jaar gewerkt (Met dank aan het ALICE-samenwerkingsverband). 7 Universiteit Utrecht en Nikhef actief bij betrokken zijn, is essentieel voor zulke metingen, omdat deze detector bijdraagt aan het verminderen van de combinatorische achtergrond van willekeurige deeltjeparen. Men moet zich realiseren dat in een enkele botsing duizenden deeltjes worden geproduceerd (zie figuur 2 onder). Enkelvoudige spectra en correlatiemetingen van zware quarkdeeltjes [8] zullen een sleutelrol spelen in het verklaren van de eigenschappen en het dynamische gedrag van het quark-gluonplasma. Als voorbeeld is in figuur 5 de verwachte onderdrukking van de opbrengst van D 0 deeltjes bij LHC-botsingsenergieën te zien, gekwantificeerd door de onderdrukkingsfactor R AA. R AA van 1 betekent dat de opbrengst in botsingen tussen zware atoomkernen hetzelfde is als in proton-protonbotsingen geschaald met het aantal individuele nucleon- januari 2010 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

5 8 Figuur 5 De verwachte transversale impulsafhankelijkheid van de onderdrukkingsfactor R AA van D 0 deeltjes bij frontale botsingen tussen loodionen bij 5,5 TeV per kernenpaar (q = GeV 2 /fm, waarbij q een meting van de mediumdichtheid is). Zonder het omgevende medium (q = 0) wordt geen onderdrukking van de D 0 -opbrengst verwacht (R AA = 1). De voorspelling wordt weergegeven zowel met (blauwe curve) als zonder (rode curve) het effect van de quarkmassa m c. nucleon botsingen. Een R AA kleiner dan 1 zegt iets over de eigenschappen van het geproduceerde medium. Conclusie Het onderzoeksprogramma met de RHIC-versneller en met name het zware-ionenprogramma met de LHCversneller maken het mogelijk om materie te onderzoeken bij de hoogste temperaturen onder omstandigheden zoals die heersten in het vroege heelal kort na de oerknal. Dat maakt niet alleen gedetailleerd onderzoek mogelijk van QCD-voorspellingen over de aard van de faseovergang en de structuur van het quark-gluonplasma, maar biedt ook een diep inzicht in de fundamentele processen die leiden tot de opsluiting van quarks en gluonen. De kroon op het werk bestaat uit het ontrafelen van het mysterie van de materie die tijdens de evolutie van het vroege heelal gevormd werd gedurende enige microseconden na de oerknal. Referentie 1 D.J. Gross en F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 30, 1343 (1973). 2 H.D. Politzer, Phys. Rev. Lett. 30, 1346 (1973). 3 J.C. Collins en M.J. Perry, Phys. Rev. Lett. 34, 1353 (1975). 4 F. Karsch en E. Laermann, Quark-Gluon Plasma 3, editors R.C. Hwa en X.N. Wang, p 1-59, World Scientific, Singapure (2004). 5 R. Snellings, Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 69-7, 224 (2003). 6 T. Peitzmann, Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 74-10, 348 (2008). 7 B.I. Abelev et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007). 8 A. Mischke, Phys. Lett. B671, 361 (2009). 9 H. de Lang, Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 75-5, 180 (2009). 10 E. Laenen, Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 74-08, 288 (2008). Nieuws Negen natuurkundestudenten winnen aanmoedigingsprijs Negen studenten in de natuurkunde en technische natuurkunde ontvingen 25 november bij de Koninklijke Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen een aanmoedigingsprijs van vijfhonderd euro voor hun studieresultaten in het eerste studiejaar. Zij behaalden de beste studieresultaten. Deze Jong Talent Aanmoedigingsprijzen zijn beschikbaar gesteld door de Stichting Physica om de studie in de natuurkunde te stimuleren. Op de foto van links naar rechts en boven beginnend: A.W. Kleyn van de Stichting Physica en acht van de negen prijswinnaars: Matthijs Vákár (UU), Tim van der Beek (RUG), Marijke Segers (UL), Frank Buters (VU), Teuntje Tijssen (UvA), Karel Duerloo (TUD), Koen Schakenraad (TUE) en Erik van Loon (RUN). Niet op de foto: Hasan Atesçi (UT). Foto: Hilde de Wolf.