Forskare har upptäckt att entropin förblir konstant under övergången från ett kaotiskt kvark-gluon-tillstånd till stabila partiklar i protonkollisioner vid Large Hadron Collider. Denna oväntade stabilitet fungerar som en direkt signatur för kvantmekanikens unitaritetsprincip. Upptäckten, baserad på förfinade modeller och LHC-data, utmanar initiala intuitioner om processens oordning.
Högenergikollisioner mellan protoner vid Large Hadron Collider (LHC) skapar ett kortvarigt, tätt tillstånd av kvarker och gluoner, liknande ett kokande hav av partiklar, innan det svalnar till detekterbara hadroner. Intuitivt borde denna övergång från en tidig kaotisk fas till en senare mer ordnad en ändra systemets entropi, ett mått på oordning. Data från LHC-experiment visar dock att entropin förblir oförändrad genom hela processen, vilket motsäger förväntningarna.
Prof. Krzysztof Kutak och Dr. Sandor Lokos vid Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Cracow publicerade sin analys i Physical Review D. De förfinade dipolmodeller, som representerar gluoner som kvark-antikvark-par med färgavgifter, för att bättre beskriva gluonssystemets utveckling. "Dipolmodeller baserade på det genomsnittliga antalet producerade hadroner i en kollision låter oss uppskatta entropin hos partonerna", förklarade prof. Kutak.
Två år tidigare förbättrade Kutak och Dr. Pawel Caputa vid Stockholms universitet modellen genom att integrera effekter relevanta vid lägre energier och dra från komplexitetsteori. Testad mot data från ALICE-, ATLAS-, CMS- och LHCb-experimenten över energier från 0,2 till 13 teraelektronvolt överträffade den generaliserade modellen sina föregångare. "Vi visar att den generaliserade dipolmodellen beskriver befintliga data mer exakt än tidigare dipolmodeller och fungerar bra inom ett bredare intervall av protonkollisionsenergier", uppgav prof. Kutak.
Denna konstanthet stämmer med Kharzeev-Levin-formeln och härrör från kvantmekanikens unitaritet, som bevarar sannolikheten och tillåter reversibla processer. "Kvantmekanikens unitaritet är något som fysikstudenter lär sig... det är en sak att hantera en teori som uppvisar en viss egenskap på nivån av kvarker och gluoner... och en helt annan att observera den i verkliga data", noterade prof. Kutak.
Framtida valideringar kommer från LHC-uppgraderingen som förbättrar ALICE-detektorn för tätare gluonstudier och Electron-Ion Collider under byggnation vid Brookhaven National Laboratory, där elektron-protonkollisioner kommer att undersöka gluon-system mer direkt.