Den mest eksotiske væske har en uventet lav viskositet

Kollisioner af blykerner i Large Hadron Collider (LHC) finder sted ved så store energier, at kvarker, der normalt er indespærret inde i nukleoner, frigives og, sammen med gluonerne, der holder dem sammen, danne et eksotisk kvark-gluon plasma. En ny, mere detaljeret teoretisk model for dette plasma, præsenteret af en gruppe fysikere fra Polen og USA, forudsiger, at den har en meget lavere viskositet end tidligere anslået.

Vores hverdagsliv består hovedsageligt af protoner og neutroner, hver indeholder tre kvarker holdt sammen af ​​stærke vekselvirkninger formidlet af bærere kaldet gluoner. I modsætning til tyngdekraften, som virker svagere på afstand, stærke interaktioner mellem kvarker øges med større afstand. Kvarker opfører sig, som om de var forbundet med kilder - jo længere du adskiller dem, jo hårdere prøver de at forblive forbundet. Imidlertid, energierne af partikler accelereret inde i LHC er så høje, at under kollisioner, kvarker frigives fra protoner. Quark-gluon plasma produceres i kort tid - den mest eksotiske væske, der nogensinde er undersøgt i laboratorier. Indtil for nylig, fysikere mente, at det var ret tyktflydende. En anden konklusion er kommet frem fra analyser foretaget af forskere fra Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Cracow og Kent State University i Kent (Ohio, USA).

"I fysik, strømninger beskrives ved hjælp af hydrodynamiske ligninger. Når man anvender de enkleste versioner af disse til kvark-gluon plasmaudvikling, forudsigelserne er helt i overensstemmelse med LHC kollisionsmålinger. Ved første øjekast, kvark- og gluon-suppen ser virkelig ud til at opføre sig efter simple forventninger. Imidlertid, når vi begynder at se nærmere efter, det bliver hurtigt klart, at vi har at gøre med et meget komplekst fænomen, " siger Dr. Radoslaw Ryblewski (IFJ PAN).

Den matematiske beskrivelse af væske antager, at væsken er perfekt, dvs. blottet for viskositet. Da der ikke er nogen perfekte væsker i naturen, forskellige korrektioner introduceres for at forbedre nøjagtigheden af ​​hydrodynamiske ligninger. Imidlertid, de resulterende varianter af viskøs væskehydrodynamik er baseret på yderligere antagelser - f.eks. at tryk i væske ændres på samme måde i alle retninger.

"Problemet er, at kvark-gluon plasma i LHC produceres på en meget specifik måde, som følge af kollisioner af blykerner, der nærmer sig i én retning med hastigheder tæt på lysets hastighed. Som resultat, væsken dannet af kvarker og gluoner bevæger sig oprindeligt langs strålens retning, og først derefter begynder det at køle af og fortyndes i alle retninger, " forklarer Dr. Ryblewski. "Når du opretter en model, omfanget af udfordringen øges endnu mere, når vi forsøger at tage højde for det faktum, at i begyndelsen af ​​processen, væsken er anderledes end i slutningen - da efter afkøling, kvarkerne begynder så småt at hænge sammen igen. Så, sammen med prof. Wojciech Florkowski, vi begyndte at udvikle en mere detaljeret model af fænomenet:anisotrop hydrodynamik, bygget på den antagelse, at systemet ikke opfører sig på samme måde i alle retninger."

Den seneste teoretiske model, konstrueret på basis af anisotrop hydrodynamik, er netop blevet præsenteret i Fysisk gennemgangsbreve . En af dens mest interessante konklusioner vedrører viskositeten af ​​kvark-gluon plasma. Denne viskositet viser sig at være seks gange mindre end de numeriske forudsigelser fra andre modeller baseret på hydrodynamikken af ​​viskøs væske.

I modsætning til de tidligere ligninger, i visse tilfælde, de nye kan løses med praktisk talt ethvert niveau af nøjagtighed. Ved at kombinere deres forudsigelser med data fra andre modeller og gentagne gange sammenligne dem med faktiske målinger i ALICE-eksperimentet på LHC, det polsk-amerikanske hold har vist, at anisotrop hydrodynamik i øjeblikket er den mest nøjagtige beskrivelse af de fænomener, der forekommer i kvark-gluon-plasma.