Når væske flyder næsten lige så hurtigt som lys - med kvanterotation

Quark-gluon plasma dannes som et resultat af højenergikollisioner af tunge ioner. Efter en kollision, i et dusin eller deromkring yoktosekunder (10 ^-24 sekunder), denne mest perfekte af alle kendte væsker gennemgår hurtig hydrodynamisk ekspansion med hastigheder tæt på lysets hastighed. Et internationalt hold af forskere, tilknyttet IFJ PAN og GSI-centret, har præsenteret en ny model, der beskriver disse ekstreme strømme. For første gang, effekter som følge af partiklernes kvanterotation tages i betragtning.

Hver proton og hver neutron er sammensat af flere kvarker bundet af stærke interaktioner båret af mellemliggende partikler kaldet gluoner. Når tunge ioner bygget af protoner og neutroner tæt på lysets hastighed kolliderer med hinanden, de bliver normalt ødelagt, omdannes til et eksotisk kvark-gluon plasma. På grund af dens ubetydelige viskositet, dette plasma anses for at være den mest perfekte væske i universet. Nye eksperimentelle målinger, imidlertid, tyder på, at partiklerne, der forlader plasmaet, udviser ikke-trivielt arrangement af deres spin-retninger. For at forklare disse resultater, en gruppe videnskabsmænd fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow og GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt (Tyskland) har præsenteret en ny model for relativistiske strømme af kvark-gluon plasma, under hensyntagen til de fænomener, der opstår ved kvantespind af de partikler, der danner det.

I omkring ti mikrosekunder efter Big Bang, kvark-gluon plasma fyldte hele universet. Imidlertid, det kølede hurtigt ned, og gluoner klistrede kvarkerne sammen i grupper - partiklerne, som vores verden er bygget op af. Som resultat, kvark-gluon væske kan i dag kun ses som effekten af ​​højenergikollisioner af tunge ioner (og, eventuelt, også af mindre kolliderende systemer bestående af protoner og ioner). Kollisioner af denne type udføres i øjeblikket kun i nogle få acceleratorcentre i verden.

Strømmen af ​​væsker og gasser behandles i hydrodynamik, et felt, der har været under udvikling i århundreder. Efter fremkomsten af ​​relativitetsteorien, klassisk hydrodynamik blev udvidet med relativistiske fænomener, opstår, når væske strømmer med hastigheder tæt på lysets hastighed. Efter fødslen af ​​kvanteteorien, hydrodynamik blev udvidet med beskrivelser af strømmen af ​​partikler med spin.

Spin er et træk ved elementarpartikler forbundet med egenskaberne af deres bølgefunktioner i forhold til rotation. Det kan kun antage diskrete værdier, f.eks. 0, 1/2, 1, 3/2, osv. Rotationsretningen for partikler med spin 1/2 kan være lig med +1/2 eller -1/2 i forhold til enhver akse. Ikke-nul polarisering af partikler med spin 1/2 betyder, at de producerede partikler er mere tilbøjelige til at antage en spin retning (+1/2 eller -1/2).

"Hydrodynamik er et glimrende værktøj til at beskrive mange fysiske fænomener. Vi har udvidet dets anvendelsesområde. Vi er de første til at præsentere en sammenhængende beskrivelse af relativistiske partikelstrømme med spin 1/2, " forklarer prof. Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMMI), der i samarbejde med gruppen af ​​prof. Bengt Friman (GSI) har udviklet en ny flowmodel.

Arbejdet med modellen for relativistiske strømme med spin var inspireret af nylige målinger af polariseringen af ​​spins af partikler kendt som Lambda-hyperoner (disse er konglomerater af tre kvarker:op, nede og mærkelige, med et samlet spin på 1/2), registreret i sammenstød med tunge ioner. Fysikere har længe eksperimenteret med at forsøge bedre at forstå polariseringen af ​​Lambda-hyperoner. Målingerne, imidlertid, var behæftet med betydelig usikkerhed. For nylig, i eksperimenter udført på Brookhaven National Laboratory i New York, det blev vist, at spin af Lambda-hyperonerne blev dannet i kollisioner af tunge kerner, der er polariserede.

Det har været kendt i lang tid, at et kvanteobjekts spin bidrager til dets totale momentum. For eksempel, i ferromagnetiske materialer, Einstein-de Haas-effekten kan observeres. Når et ikke-polariseret system er placeret i et magnetfelt, partiklernes spin begynder at orientere sig efter magnetfeltet, hvilket betyder, at for at opretholde det samlede vinkelmomentum, systemet skal begynde at rotere. Observation af polariseringen af ​​Lambda-hyperonerne dannet som et resultat af kvark-gluon-plasma-transformationer indikerer således den vanskelige at ignorere spin-rollen i at forme strømmen af ​​dette plasma.

Modellen præsenteret af gruppen af ​​fysikere fra IFJ PAN og GSI er en generalisering af hydrodynamikken af ​​perfekt væske. Da der er spin i de beskrevne systemer, princippet om vinkelmoment-bevarelse burde have været inkluderet i den teoretiske beskrivelse.

"Ligesom temperatur er forbundet med princippet om energibevarelse, hastighed med princippet om bevarelse af momentum, og elektrisk potentiale med princippet om bevarelse af ladestrøm, så i de systemer, der er beskrevet af os, spinpolarisering er forbundet med princippet om bevarelse af momentum. Når du tager dette princip i betragtning, du får yderligere ligninger, bedre beskrive udviklingen af ​​systemet, " forklarer prof. Florkowski.

Quark-gluon plasma er en så eksotisk tilstand af stof, at i årtier, teknologiske applikationer vil være uden for rækkevidde. Imidlertid, disse undersøgelser har vigtige implikationer i dag. Relativistiske strømme af partikler med spin er et nyt vindue til en verden af ​​stærke interaktioner, hvilken, blandt andet, binder kvarker i protoner og neutroner. Dermed, stærke interaktioner spiller en meget vigtig rolle i universet, men de er ekstremt komplicerede at beskrive. Derfor, forskere håber, at det i relativistiske flows med spin vil være muligt at lære disse effekter lidt bedre at kende.