Teadlased taasluuavad kuuma tiheda kvargi ja gluoni 'suppi', mis täitis varajase universumi

Mõne miljoni sekundi jooksul vahetult pärast Suurt Pauku uskusid kosmoloogid, et universum oli täis kvarkide ja gluoonide kuuma tihedat “suppi”. Nüüd usuvad teadlased, et nad võisid kasutada väikese mürsu ja kuldtuumade kokkupõrget, et taastada selle täiusliku ürgse vedeliku pisikesed täpid.

Kui kokkupõrked väikeste mürskude - prootonite (p), deuteroonide (d) ja heelium-3 tuumade (3He) - ja kuldtuumade (Au) vahel tekitavad kvark-gluoni plasma pisikesi kuumi kohti, on detektori poolt korjatud osakeste muster peaks säilitama iga mürsu esialgse kuju teatud mälu. PHENIX eksperimendi mõõtmised vastavad nendele ennustustele väga tugeva korrelatsiooniga algse geomeetria ja lõpliku voolumudeli vahel. (Javier Orjuela Koop, Colorado ülikool, Boulder)

Selle vedeliku uurimine peaks loodetavasti valgustama kvarkide ja glüoonide, prootoneid ja neutroneid moodustavate põhiosakeste ning seega ka kõigi meie ümber nähtavate ainete sidumise jõudu. Kuid see, mida teadlased ei oodanud, on see, et saaks seda põhiosakeste vedelikku uuesti luua.

Tuumafüüsikud avastasid kummalise toote, analüüsides samal ajal Relativistic Heavy Ion Collideri (RHIC) Brookhaven Labi PHENIX detektorist saadud andmeid, avaldades sel nädalal oma avastused ajakirjas Nature Physics.

PHENIX-i kaastöötaja Jamie Nagle aitas välja töötada nii katseplaani kui ka teoreetilisi simulatsioone, mida meeskond nende tulemuste kontrollimiseks kasutaks: „See töö on kulminatsioon eksperimentide seeriale, mille eesmärk on kujundada kvark-gluoni plasmatilkade kuju . ”

Avastus tehti siis, kui meeskond uuris osakeste trajektoore, mis tekkisid väikeste mürskude, näiteks üksikute prootonite, deuteeriumiaatomite ja heelium-3 tuumade mõjul kuldtuuma „sihtmärkidel”. Leiti, et nende osakeste voolumudelid vastavad originaalsete mürskude geomeetriale, täpselt nii, nagu oleks oodata, kui nad loovad täiusliku vedeliku kvark-gluoni plasmast.

Nagle ütles: "RHIC on ainus kiirendaja maailmas, kus saame läbi viia nii täpselt kontrollitud eksperimendi, põrkades ühe, kahe ja kolme komponendi osakesed kokku sama suurema tuumaga, kuld, kõik sama energiaga."

Varasemad täiuslike vedelike tähelepanekud

Relativistliku raskete ioonide põrkeseadme PHENIX-detektor (Brookhaven National Lab)

RHIC - maailma suurima osakestekiirendi - kasutamine enne LHC aktiveerimist on varem lubanud füüsikutel jälgida täiuslike vedelike voogu ja nende olemasolu on hästi tõestatud. Kui näiteks kuldosakeste tuumad põrkuvad peaaegu valguse kiirusel, sulavad sadade põrkuvate prootonite ja neutronite ekstreemne energia omavahel interakteeruvate osakeste piirid, võimaldades koostisosadel glloonidel ja kvarkidel vabalt suhelda.

RHIC-i põrkeseadmes 2010. aastal (Brookhaven National Lab) loodud 7200 000 000 000⁰ kvarglüloonplasma arvutivideograafia

Saadud vedelik voolab nagu eriti madala viskoossusega vedelik, mis võimaldab kokkupõrke alguses tekkinud rõhugradientidel püsida ja mõjutada seda, kuidas teised osakesed löövad detektorisse.

See tähendab, et detektorit löövad osakesed säilitavad iga mürsu algkuju „mälu” - prootonite puhul sfäärilised, deuteronide korral elliptilised ja heelium-3 tuumade puhul kolmnurksed.

PHENIX analüüsis kõigi kolme kokkupõrkesüsteemi kahe erinevat tüüpi osakeste voolu (elliptilised ja kolmnurksed) mõõtmisi ja võrdles neid esialgse geomeetria põhjal eeldatavaga.

Vanderbilti ülikoolis analüüsi kaasatud meeskonda juhtinud PHENIXi aseesindaja Julia Velkovska ütles: “Mõõtmised vastavad esialgsele geomeetrilisele kujule põhinevatele ennustustele. Me näeme väga tugevat korrelatsiooni algse geomeetria ja lõpliku voolumudeli vahel ning parim viis selle selgitamiseks on see, et nendes väikestes kokkupõrkesüsteemides loodi kvark-gluoni plasma. ”

Meeskonnad võrdlesid selles viimases katses saadud geomeetrilisi voolumustreid hüdrodünaamika teooriaga, mis võimaldas neil välistada korrelatsioonid, mida soovitasid muud füüsika teooriad, näiteks kvantmehaanika varem läbi viidud kuld-kuld-kokkupõrgete jaoks.

"Kui kõik muu on võrdne, näeme ikkagi suuremat elliptilist voolu deuteroon-kulla kui prootoni-kulla puhul, mis sobib paremini hüdrodünaamilise voolu teooriaga ja näitab, et mõõtmised sõltuvad esialgsest geomeetriast," ütles Velkovska. "Kuid tuginedes sellele, mida näeme, ja teooria ja andmete vahelise kokkuleppe statistilisele analüüsile, ei ole need interaktsioonid lõplike voolumudelite domineeriv allikas."

PHNIX uurib nüüd nende katsete andmeid, et teha kindlaks väiksemahulistes kokkupõrgetes saavutatud temperatuur, mis piisavalt kuuma korral toetab ka kvarkglüooni plasma loomist.

Algne uurimistöö: https://www.nature.com/articles/s41567-018-0360-0