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Die Bausteine des Atomkerns sind Protonen und Neutronen, die wiederum aus noch grundlegenderen Teilchen bestehen: Quarks und Gluonen. Diese Teilchen interagieren über die starke Kraft, die eine der vier Grundkräfte der Natur ist. Sie bilden den Kern im Herzen jedes Atoms. Sie bilden auch Formen heißen oder dichten Kernmaterials mit exotischen Eigenschaften.
Wissenschaftler untersuchen die Eigenschaften heißer und kalter Kernmaterie in relativistischen Schwerionenkollisionsexperimenten und werden dies auch in Zukunft mit dem Electron-Ion Collider tun. Das ultimative Ziel besteht darin zu verstehen, wie aus Elementarteilchen, die starken Kräften ausgesetzt sind, komplexe Materieformen entstehen.
Theoretische Berechnungen unter Einbeziehung der starken Kraft sind komplex. Ein Aspekt dieser Komplexität entsteht dadurch, dass es viele Möglichkeiten gibt, diese Berechnungen durchzuführen. Wissenschaftler bezeichnen einige dieser Entscheidungen als Skalen. Bei der Berechnung jeder Größe, die in einem Experiment gemessen werden kann, müssen alle Messoptionen zum gleichen Ergebnis führen. Eine bestimmte Wahl, die so genannte Pivot-Skala, gibt Wissenschaftlern jedoch seit Jahren Rätsel auf, da es schwierig ist, bei dieser Wahl konsistente Ergebnisse zu erzielen.
Eine aktuelle Studie veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchunglöst dieses Rätsel und ebnet den Weg für zuverlässige Berechnungen der Eigenschaften heißer und kalter Kernmaterie, die in aktuellen und zukünftigen Experimenten getestet werden können.
Die seltsame Form der Kernmaterie, die Physiker bei Kollisionen relativistischer Schwerionen untersuchen, wird Quark-Gluon-Plasma (QGP) genannt. Diese Form der Materie existierte im frühen Universum. Physiker erforschen seine Eigenschaften in Kollisionsexperimenten mit schweren Ionen, indem sie die extrem hohen Temperaturen nachbilden, die zuletzt Mikrosekunden nach dem Urknall beobachtet wurden. Durch die Analyse experimenteller Daten aus den Kollisionen und deren Vergleich mit theoretischen Berechnungen können Physiker verschiedene Eigenschaften von QGP ermitteln. Eine Berechnungsmethode namens „Axial Scale“ schien zuvor darauf hinzuweisen, dass die beiden Eigenschaften von QGP, die beschreiben, wie sich schwere Quarks durch das QGP bewegen, gleich sind.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology und der University of Washington haben nun herausgefunden, dass diese Interpretation falsch ist. Ihre Studie analysierte auch sorgfältig die genauen Bedingungen, unter denen die Axialskala verwendet wurde, und erklärte den Grund für die Anisotropie. Schließlich zeigte er, dass zwei unterschiedliche Methoden zur Messung der Verteilung von Gluonen, Teilchen, die die starke Kraft übertragen, innerhalb von Kernen unterschiedliche Ergebnisse liefern sollten. Diese Vorhersage wird in einem zukünftigen Elektronen-Ionen-Beschleuniger getestet.
Mehr Informationen:
Bruno Scheihing-Hitschfeld et al., Gauge Invariance of Non-Abelian Field Force Correlators: The Axial Gauge Puzzle, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.052302
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