Ny model uddyber forståelsen af ​​dynamikken i kvark-gluonplasmaer

Quark-gluonplasma er blandt de mest omfattende undersøgte emner af fysikere i nyere tid. Takket være de største partikelacceleratorer i drift i dag, Large Hadron Collider (LHC) i Europa og Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) i USA, det er nu muligt at reproducere et kvark-gluonplasma i laboratoriet. Denne form for materie menes at have domineret i universet i en brøkdel af et sekund efter Big Bang.

Ifølge den standard kosmologiske model, varigheden af ​​kvark-gluonplasmaet i uruniverset var ikke mere end en milliontedel af et sekund, da universet menes at have afkølet cirka 10 ^-6 sekunder efter Big Bang i det omfang, kvarker og gluoner ikke længere kunne bevæge sig frit og i stedet blev begrænset til hadroner (protoner, neutroner, mesoner, etc.). I de højenergiske atomkollisioner, der blev produceret ved LHC og RHIC, kvark-gluonplasmaerne varer endnu kortere tid-cirka 10 ^-23 sekunder - på grund af stejle trykgradienter. På trods af deres forgængelighed og lille volumen (diameteren på en proton er i størrelsesordenen 10 ^-15 m), kvark-gluonplasma skjuler intens og kompleks indre aktivitet.

Denne aktivitet afsløres gradvist i LHC- og RHIC -eksperimenter, og nye teoretiske tilgange er blevet udviklet til at forklare eller forudsige deres resultater. Et eksempel herpå, blandt mange andre, er undersøgelsen med titlen "Hydrodynamiske forudsigelser for blandede harmoniske korrelationer i 200 GeV Au+Au -kollisioner, "udgivet i Fysisk gennemgang C og fremhævet som et redaktionsforslag.

Undersøgelsen blev udført af Fernando Gardim fra Science &Technology Institute ved Federal University of Alfenas, Minas Gerais State (Sydøst Brasilien); Frédérique Grassi og Matthew Luzum fra Physics Institute ved University of São Paulo (USP); og Jacquelyn Noronha-Hostler fra Institut for Fysik ved University of Houston.

"På grund af sin meget korte varighed, et kvark-gluonplasma kan ikke observeres direkte, "Grassi sagde." Eksperimenterne er i stand til at opdage de hadroner, der dannes, når kvarker og gluoner rekombineres. Disse hadroner formerer sig i flere retninger. Deres vinkelfordeling omkring kollisionsaksen giver yderst relevant information om plasmas struktur og dynamik og, følgelig, om arten af ​​grundlæggende interaktioner i stof. Vores undersøgelse, hvilket var teoretisk, satte sig for at forudsige specifikke mønstre i hadronernes vinkelfordeling. "

Forskerne brugte en hydrodynamisk model kaldet NeXSPheRIO, som præcist gengav en bred vifte af data opnået eksperimentelt ved RHIC. Computersimuleringerne udført på dette grundlag gjorde det muligt for forskerne at lave forudsigelser, der kan testes i nye eksperimenter, så modellen kan valideres eller rettes.

"Vinkelfordelingen observeret i eksperimenterne nedbrydes til en sekvens kendt i matematik som en Fourier -serie, "Grassi forklaret." Hvert udtryk i serien svarer til et specifikt træk ved fordelingen, og serien som helhed fortæller os, hvor mange partikler der bevæger sig i henhold til hvert mønster. Sætningen 'blandede harmoniske korrelationer', der bruges i titlen, er det tekniske udtryk, der navngiver sammenhængene mellem forskellige Fourier -koefficienter.

"Hvis et kvark-gluonplasma var strengt homogent og havde egenskaberne af en gas-hvis dets partikler interagerede meget lidt-så ville den resulterende strøm af hadroner være isotrop [lige i alle retninger]. Men det er ikke tilfældet. Faktiske strømme opdaget eksperimentelt er anisotrope, og vinkelfordelingen udviser ikke-null Fourier-koefficienter, som fortæller os, at plasmaet ikke er homogent, og at dets partikler interagerer stærkt. "

Fordelingskoefficienterne klassificeres efter deres geometriske egenskaber som elliptiske, trekantet, firkantet, femkantet, osv. Den dominerende strøm er elliptisk, fordi hadronstrålen er meget stærkere i en af ​​retningerne vinkelret på kollisionsaksen. Denne fordeling, som skyldes den stærke vekselvirkning mellem kvarker og gluoner, angiver, at plasmaet ikke er en gas, men en væske. Imidlertid, det er ikke en hvilken som helst væske. Det faktum, at elliptisk strømning ikke er svækket, viser, at denne væskes viskositet er ekstremt lav. Faktisk, et kvark-gluonplasma er den mindst viskøse-eller mest perfekte-væske, der nogensinde er fundet.

"Tidligere forskning havde allerede vist, at et kvark-gluonplasma er en næsten perfekt væske. Vores undersøgelse tilføjede var en bedre forståelse af ikke-homogeniteten af ​​energifordelingen inde i plasmaet, "Forklarede Grassi. Med sin meget korte varighed og minutmål, et kvark-gluonplasma er yderst dynamisk. Svingninger får dens energitæthed til at variere fra en region til en anden. Undersøgelsen giver dybere indsigt i sammenhængen mellem disse dynamikker og udsving.

"Fordi NeXSPheRIO hidtil har accepteret godt alle observationer, der er foretaget til dato på RHIC, vi mener, at dens forudsigelser kan bruges som sammenligningsgrundlag for nye målinger, der skal foretages ved den amerikanske kollider, "Grassi sagde." Enhver afvigelse fra forudsigelserne vil give værdifuld ikke-triviel information, enten om den indledende fase af kollisionen, der giver anledning til plasmaet eller om mediets iboende egenskaber. "