Overbevisende beviser for små dråber perfekt væske

Kernefysikere, der analyserer data fra PHENIX -detektoren ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - et amerikansk Department of Energy (DOE) Office of Science -brugerfacilitet til atomfysisk forskning ved Brookhaven National Laboratory - har offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik yderligere beviser på, at kollisioner af miniscule projektiler med guldkerner skaber små pletter af den perfekte væske, der fyldte det tidlige univers.

Forskere studerer denne varme suppe, der består af kvarker og gluoner - byggestenene i protoner og neutroner - for at lære om den grundlæggende kraft, der holder disse partikler sammen i det synlige stof, der udgør vores verden i dag. Evnen til at skabe sådanne små pletter af den oprindelige suppe (kendt som kvark-gluon plasma) var oprindeligt uventet og kunne give indsigt i de væsentlige egenskaber ved denne bemærkelsesværdige form for stof.

"Dette arbejde er kulminationen på en række eksperimenter designet til at konstruere formen på kvark-gluon plasmadråberne, "sagde PHENIX -samarbejdspartner Jamie Nagle fra University of Colorado, Kampesten, som hjalp med at udarbejde den eksperimentelle plan samt de teoretiske simuleringer, som holdet ville bruge til at teste deres resultater.

PHENIX-samarbejdets seneste papir inkluderer en omfattende analyse af kollisioner mellem små projektiler (enkelte protoner, to-partikel deuteroner, og trepartikel-helium-3-kerner) med store guldkerner "mål", der bevæger sig i den modsatte retning ved næsten lysets hastighed. Holdet sporede partikler, der kom fra disse kollisioner, på udkig efter bevis for, at deres strømningsmønstre matchede projektilernes originale geometrier, som man kunne forvente, hvis de små projektiler faktisk skabte et perfekt flydende kvark-gluon-plasma.

"RHIC er den eneste accelerator i verden, hvor vi kan udføre et så stramt kontrolleret eksperiment, kolliderende partikler lavet af en, to, og tre komponenter med den samme større kerne, guld, alt sammen på samme energi, sagde Nagle.

Perfekt væske inducerer flow

Den "perfekte" væske er nu et veletableret fænomen i kollisioner mellem to guldkerner ved RHIC, hvor den intense energi fra hundredvis af kolliderende protoner og neutroner smelter grænserne for disse individuelle partikler og tillader deres bestanddele af kvarker og gluoner at blande sig og interagere frit. Målinger ved RHIC viser, at denne suppe af kvarker og gluoner flyder som en væske med ekstremt lav viskositet (aka, næsten perfektion ifølge teorien om hydrodynamik). Manglen på viskositet gør, at trykgradienter, der er etableret tidligt i kollisionen, kan vedvare og påvirke, hvordan partikler, der kommer fra kollisionen, rammer detektoren.

"Hvis sådanne lavviskositetsforhold og trykgradienter skabes ved kollisioner mellem små projektiler og guldkerner, partikelmønsteret optaget af detektoren bør bevare en vis 'hukommelse' af hvert projektils oprindelige form - sfærisk i tilfælde af protoner, elliptisk til deuteroner, og trekantet for helium-3 kerner, "sagde talsmand for PHENIX Yasuyuki Akiba, en fysiker med RIKEN -laboratoriet i Japan og RIKEN/Brookhaven Lab Research Center.

PHENIX analyserede målinger af to forskellige typer partikelstrømme (elliptisk og trekantet) fra alle tre kollisionssystemer og sammenlignede dem med forudsigelser for, hvad der kunne forventes baseret på den indledende geometri.

"De seneste data - de trekantede strømningsmålinger for proton-guld og deuteron-guld kollisioner, der for nylig er præsenteret i dette papir - fuldender billedet, "sagde Julia Velkovska, en stedfortræder for PHENIX, der ledede et team involveret i analysen på Vanderbilt University. "Dette er en unik kombination af observerbare, der giver mulighed for afgørende modeldiskrimination."

"I alle seks tilfælde målingerne matcher forudsigelserne baseret på den indledende geometriske form. Vi ser meget stærke sammenhænge mellem indledende geometri og endelige strømningsmønstre, og den bedste måde at forklare det på er, at kvark-gluonplasma blev skabt i disse små kollisionssystemer. Dette er meget overbevisende bevis, "Sagde Velkovska.

Sammenligninger med teori

De geometriske strømningsmønstre er naturligt beskrevet i teorien om hydrodynamik, når der dannes en næsten perfekt væske. Serien af ​​eksperimenter, hvor dråbernes geometri styres af valget af projektilet, blev designet til at teste hydrodynamikhypotesen og kontrastere den med andre teoretiske modeller, der producerer partikelkorrelationer, der ikke er relateret til indledende geometri. En sådan teori understreger kvantemekaniske interaktioner-især blandt overflod af gluoner, der postuleres for at dominere den indre struktur af de accelererede kerner-som en vigtig rolle i de mønstre, der observeres i småskala kollisionssystemer.

PHENIX-teamet sammenlignede deres målte resultater med to teorier baseret på hydrodynamik, der præcist beskriver kvark-gluonplasma observeret i RHICs guld-guld-kollisioner, såvel som dem, der forudsiges af den kvantemekanikbaserede teori. PHENIX-samarbejdet fandt ud af, at deres data passer bedst til quark-gluon-plasmabeskrivelserne-og stemmer ikke overens, især for to af de seks flowmønstre, med forudsigelserne baseret på de kvantemekaniske gluoninteraktioner.

Papiret indeholder også en sammenligning mellem kollisioner af guldioner med protoner og deuteroner, der specifikt blev valgt til at matche antallet af partikler produceret i kollisionerne. Ifølge den teoretiske forudsigelse baseret på gluoninteraktioner, partikelstrømningsmønstrene bør være identiske uanset den oprindelige geometri.

"Med alt andet lige, vi ser stadig større elliptisk strømning for deuteron-guld end for proton-guld, der matcher nærmere teorien for hydrodynamisk flow og viser, at målingerne afhænger af den indledende geometri, "Sagde Velkovska." Det betyder ikke, at gluoninteraktionerne ikke eksisterer, "fortsatte hun." Den teori er baseret på solide fænomener i fysik, der burde være der. Men baseret på det, vi ser, og vores statistiske analyse af aftalen mellem teorien og dataene, disse interaktioner er ikke den dominerende kilde til de endelige flowmønstre. "

PHENIX analyserer yderligere data for at bestemme den temperatur, der nås ved småskala-kollisioner. Hvis det er varmt nok, disse målinger ville være yderligere understøttende bevis for dannelsen af ​​kvark-gluonplasma.

Samspillet med teori, herunder konkurrencemæssige forklaringer, vil fortsætte med at spille. Berndt Mueller, Brookhaven Labs associerede direktør for atom- og partikelfysik, har opfordret eksperimentelle fysikere og teoretikere til at samles for at diskutere detaljerne på en særlig workshop, der afholdes i begyndelsen af ​​2019. "Denne frem og tilbage proces med sammenligning mellem målinger, forudsigelser, og forklaringer er et væsentligt skridt på vejen til nye opdagelser – som RHIC-programmet har demonstreret gennem dets succesfulde 18 års drift, " han sagde.