Perfekt flydende kvark-gluonplasma er den mest virvelvæske

Partikelkollisioner, der genskaber kvark-gluonplasma (QGP), der fyldte det tidlige univers, afslører, at dråber af denne ursuppe hvirvler langt hurtigere end nogen anden væske. Den nye analyse af data fra Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - et amerikansk Department of Energy Office of Science User Facility for atomfysisk forskning ved Brookhaven National Laboratory - viser, at "vorticiteten" af QGP overgår den hvirvlende væskedynamik i super -cellens tornadokerner og Jupiters store røde plet i mange størrelsesordener, og slår endda den hurtigste spin -rekord, der er i besiddelse af nanodråber af superflydende helium.

Resultaterne, netop udgivet i Natur , tilføje en ny rekord til listen over bemærkelsesværdige egenskaber, der tilskrives kvark-gluonplasma. Denne suppe lavet af materiens grundlæggende byggesten - kvarker og gluoner - har en temperatur, der er hundredtusindvis af gange varmere end solens centrum og en ultralav viskositet, eller modstand mod strømning, førende fysikere til at beskrive det som "næsten perfekt." Ved at studere disse egenskaber og de faktorer, der styrer dem, forskere håber at låse op for hemmelighederne ved den stærkeste og dårligst forståede kraft i naturen - den, der er ansvarlig for at binde kvarker og gluoner til de protoner og neutroner, der danner det meste af det synlige stof i universet i dag.

Specifikt, resultaterne om vorticitet, eller hvirvlende væskebevægelse, vil hjælpe forskere med at sortere mellem forskellige teoretiske beskrivelser af plasmaet. Og med flere data, det kan give dem en måde at måle styrken af ​​plasmas magnetfelt - en væsentlig variabel for at udforske andre interessante fysikfænomener.

"Indtil nu, den store historie i karakteriseringen af ​​QGP er, at det er en varm væske, der ekspanderer eksplosivt og flyder let, "sagde Michael Lisa, en fysiker fra Ohio State University (OSU) og medlem af RHIC's STAR -samarbejde. "Men vi vil forstå denne væske på et meget finere niveau. Termiskiserer den, eller nå ligevægt, hurtigt nok til at danne hvirvler i selve væsken? Og hvis ja, hvordan reagerer væsken på den ekstreme vorticitet? "Den nye analyse, som blev ledet af Lisa og OSU -kandidatstuderende Isaac Upsal, giver STAR en måde at komme til de finere detaljer.

Justering af spins

"Teorien er, at hvis jeg har en væske med hvirvel - en hvirvlende understruktur - har den en tendens til at justere spinnene af partiklerne, den udsender i samme retning som hvirvlerne, "Sagde Lisa. Og, mens der kan være mange små spabad i QGP, der alle peger i tilfældige retninger, i gennemsnit bør deres spins stemme overens med det, der kaldes systemets vinkelmoment - en rotation af systemet, der genereres af de kolliderende partikler, når de suser forbi hinanden med næsten lysets hastighed.

For at spore de roterende partikler og vinkelmomentet, STAR -fysikere korrelerede samtidige målinger ved to forskellige detektorkomponenter. Den første, kendt som Beam-Beam Counters, sidde i den forreste og bageste ende af STAR-detektoren i husstørrelse, fange subtile nedbøjninger i kolliderende partiklers veje, når de passerer hinanden. Afbøjningens størrelse og retning fortæller fysikerne, hvor meget vinkelmoment der er, og hvilken vej det peger for hver kollisionsbegivenhed.

I mellemtiden, STAR's Time Project Chamber, et gasfyldt kammer, der omgiver kollisionszonen, sporer stierne til hundredvis eller endda tusinder af partikler, der kommer vinkelret på midten af ​​kollisionerne.

"Vi leder specifikt efter tegn på Lambda -hyperoner, spinde partikler, der henfalder til en proton og en pion, som vi måler i tidsprojektionskammeret, "sagde Ernst Sichtermann, en stedfortræder for STAR -talsmand og seniorforsker ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory. Fordi protonen kommer næsten ud på linje med hyperonets spinretning, sporing, hvor disse "datter" -protoner rammer detektoren, kan være et stand-in til at spore, hvordan hyperons spins er justeret.

"Vi leder efter en systematisk præference for retningen af ​​disse datterprotoner i overensstemmelse med det vinkelmoment, vi måler i Bjælke-Bjælketællerne, "Upsal sagde." Størrelsen af ​​denne præference fortæller os graden af ​​hvirvelighed - den gennemsnitlige hvirvelhastighed - af QGP. "

Super spin

Resultaterne afslører, at RHIC -kollisioner skaber den mest virvelvæske nogensinde, en QGP, der snurrer hurtigere end en hastig tornado, mere kraftfuld end den hurtigste roterende væske på rekord. "Så den mest ideelle væske med den mindste viskositet har også den største vorticitet, "Sagde Lisa.

Denne slags giver mening, fordi lav viskositet i QGP tillader hvorticiteten at vedvare, Sagde Lisa. "Viskositet ødelægger hvirvler. Med QGP, hvis du sætter det i gang, det har en tendens til at blive ved med at snurre. "

Dataene er også i ballparken om, hvad forskellige teorier forudsagde for QGP -vorticitet. "Forskellige teorier forudsiger forskellige mængder, afhængigt af hvilke parametre de indeholder, så vores resultater hjælper os med at sortere gennem disse teorier og afgøre, hvilke faktorer der er mest relevante, sagde Sergei Voloshin, en STAR -samarbejdspartner fra Wayne State University. "Men de fleste af de teoretiske forudsigelser var for lave, "tilføjede han." Vores målinger viser, at QGP er endnu mere vortikal end forudsagt. "

Denne opdagelse blev gjort under Beam Energy Scan -programmet, som udnytter RHICs enestående evne til systematisk at variere kollisionens energi over et område, hvor andre særligt interessante fænomener er blevet observeret. Faktisk, teorier tyder på, at dette kan være det optimale område for opdagelsen og efterfølgende undersøgelse af vorticitetsinduceret spin-justering, da effekten forventes at falde ved højere energi.

At øge antallet af Lambda -hyperoner, der spores i fremtidige kollisioner ved RHIC, vil forbedre STAR -forskernes evne til at bruge disse målinger til at beregne styrken af ​​det magnetiske felt, der genereres i RHIC -kollisioner. Magnetismens styrke påvirker bevægelsen af ​​ladede partikler, når de skabes og kommer ud af RHIC -kollisioner, så måling af dens styrke er vigtig for fuldt ud at karakterisere QGP, herunder hvordan den adskiller forskelligt ladede partikler.

"Teori forudsiger, at magnetfeltet, der er skabt ved tunge ionforsøg, er meget højere end noget andet magnetfelt i universet, "Sagde Lisa. I det mindste, at være i stand til at måle det nøjagtigt kan finde en anden rekord for QGP.