Simuleringer viser hvirvlende ringe, whirlpool-lignende struktur i subatomær suppe

Ved sin start, universet var en supervarm smeltedigel, der meget kort serverede en partikelsuppe, der lignede en "perfekt, " friktionsfri væske. Forskere har genskabt denne "suppe, "kendt som kvark-gluon plasma, i højenergi-atomkollisioner for bedre at forstå vores univers' oprindelse og stoffets natur. Fysikken kan også være relevant for neutronstjerner, som er de ekstraordinært tætte kerner af kollapsede stjerner.

Nu, kraftfulde supercomputersimuleringer af kolliderende atomkerner, udført af et internationalt team af forskere, herunder en Berkeley Lab-fysiker, give ny indsigt om vridningen, boblebad-lignende struktur af denne suppe og hvad der virker inde i den, og oplyser også en vej til, hvordan eksperimenter kunne bekræfte disse egenskaber. Værket er udgivet i 1. november-udgaven af Fysisk gennemgangsbreve .

Stof, dekonstrueret

Denne suppe indeholder de dekonstruerede ingredienser af stof, nemlig fundamentale partikler kendt som kvarker og andre partikler kaldet gluoner, der typisk binder kvarker til at danne andre partikler, såsom protoner og neutroner, der findes i atomkerner. I denne eksotiske plasmatilstand - som kan nå billioner af grader Fahrenheit, hundredtusindvis af gange varmere end solens kerne - protoner og neutroner smelter, befri kvarker og gluoner fra deres sædvanlige grænser i atomernes centrum.

Disse rekordhøje temperaturer er opnået ved at kollidere guldkerner ved Brookhaven National Laboratory's RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), for eksempel, og blykerner ved CERNs LHC (Large Hadron Collider). Eksperimenter på RHIC opdagede i 2005, at kvark-gluon plasma opfører sig som en væske. Ud over guldkerner, RHIC er også blevet brugt til at kollidere protoner, kobber og uran. LHC begyndte at udføre tung-ion eksperimenter i 2014, og har bekræftet, at kvark-gluon-plasmaet opfører sig som en væske.

Der er stadig mange mysterier om den indre funktion af denne kortvarige plasmatilstand, som måske kun har eksisteret i milliontedele af et sekund i det nyfødte univers, og kernefysikere bruger en blanding af teori, simuleringer og eksperimenter for at indsamle nye detaljer om denne subatomare suppe.

Overraskende kompleksitet i plasmastruktur

"I vores sofistikerede simuleringer, vi fandt ud af, at der er meget mere struktur i dette plasma, end vi var klar over, " sagde Xin-Nian Wang, en teoretiker i Nuclear Science Division ved Berkeley Lab, som i årevis har arbejdet med fysikken i højenergi-atomkollisioner.

Når det er plottet ud i to dimensioner, simuleringerne viste, at lidt off-center kollisioner af tunge kerner producerer en vaklende og ekspanderende væske, Wang sagde, med lokal rotation, der er snoet på en proptrækker-lignende måde.

Denne proptrækker-karakter relaterer sig til egenskaberne af de kolliderende kerner, der skabte plasmaet, som simuleringen viste ekspanderende langs - og vinkelret på - stråleretningen. Som at dreje en mønt ved at svirpe med den med fingeren, simuleringerne viste, at vinkelmomentegenskaberne for de kolliderende kerner kan overføre spinegenskaber til kvarkgluonplasmaet i form af hvirvlende, ringlignende strukturer kendt som hvirvler.

Simuleringerne viste to af disse doughnut-formede hvirvler - hver med en højreorienteret orientering omkring hver retning af de separate stråler fra de kolliderende kerner - og også mange par modsat orienterede hvirvler langs den længste dimension af plasmaet. Disse doughnut-formede træk er analoge med hvirvlende røgringe og er et almindeligt træk i klassiske undersøgelser af væsker, et felt kendt som hydrodynamik.

Simuleringerne afslørede også en mønstret udadgående strøm fra varme punkter i plasmaet, der ligner egerne på et hjul. Tidsskalaen dækket i simuleringen var uendeligt lille, Wang sagde, omtrent den tid, det tager lys at tilbagelægge afstanden på 10-20 protoner. I løbet af denne tid eksploderer den vaklende væske som en ildkugle, sprøjter partikelsuppen udad fra midten hurtigere end fra toppen.

Enhver ny forståelse af kvark-gluon plasma egenskaber bør være nyttig til at fortolke data fra kernekolliderende eksperimenter, Wang sagde, bemærker, at fremkomsten af ​​flere lokaliserede doughnut-lignende strukturer i simuleringerne var "fuldstændig uventet."

At opklare et mysterium

"Vi kan tænke på dette som at åbne et helt nyt vindue med at se på kvark-gluon plasmaer, og hvordan man studerer dem, " sagde han. "Forhåbentlig vil dette give endnu en indgang til at forstå, hvorfor denne kvark-gluon-væske er så perfekt en væske - hvorfor det er sådan, er naturen stadig et puslespil. Dette arbejde vil ikke kun gavne teorien, men også eksperimenter."

Simuleringerne giver flere beviser på, at kvark-gluon-plasmaet opfører sig som en væske, og ikke en gas, som engang var blevet teoretiseret. "Den eneste måde du kan beskrive dette på er at have en meget lille viskositet, " eller næsten ingen friktion, en egenskab ved en såkaldt 'perfekt væske' eller 'fundamental væske' '" sagde Wang. Men i modsætning til en velkendt væske som vand, simuleringen fokuserer på en flydende tilstand hundredvis af gange mindre end et vandmolekyle.

Michael Lisa, en fysikprofessor ved Ohio State University, som er en del af samarbejdet, der støtter Solenoidal Tracker ved RHIC (STAR), sagde, at den såkaldte vorticitet eller "hvirvelstruktur" af dette plasma aldrig er blevet målt eksperimentelt, selvom dette seneste teoretiske arbejde kan hjælpe med at komme ind på det. STAR er designet til at studere dannelsen og karakteristika af kvark-gluon plasma.

"Wang og hans samarbejdspartnere har udviklet en sofistikeret, state-of-the-art hydrodynamisk model af kvark-gluon plasma og har identificeret hvirvlende strukturer, der varierer i selve væsken, " sagde han. "Endnu mere nyttigt er det faktum, at de foreslår en metode til at måle disse strukturer i laboratoriet."

Lisa sagde også, at der er igangværende analysearbejde for at bekræfte simuleringens resultater i data fra eksperimenter på RHIC og LHC. "Det er netop innovationer som denne, hvor teori og eksperiment samarbejder om at udforske nye fænomener, der rummer det største håb om større indsigt i kvark-gluon plasma, " han sagde.

"Mange værktøjer er blevet brugt til at undersøge den indre arbejdsmekanik og symmetriegenskaberne af dette unikke stof, " sagde Zhangbu Xu, en talsmand for STAR-samarbejdet og en stabsforsker ved Brookhaven National Laboratory. Han sagde også, at de foreløbige resultater fra STAR også tyder på en vis roterende bevægelse i væsken, og simuleringsarbejdet "føjer en ny dimension" til denne mulighed.