Quark-gluon plasma flyder som vand, ifølge ny undersøgelse

Hvad har kvark-gluonplasma - den varme suppe af elementarpartikler dannet få mikrosekunder efter Big Bang - til fælles med postevand? Forskere siger, at det er den måde, det flyder på.

En ny undersøgelse, offentliggjort i dag i tidsskriftet SciPost Fysik , har fremhævet de overraskende ligheder mellem kvark-gluon plasma, det første stof, der menes at have fyldt det tidlige univers, og vand der kommer fra vores hane.

Forholdet mellem en væskes viskositet, mål for hvor flydende det er, og dens tæthed, bestemmer, hvordan det flyder. Mens både viskositeten og densiteten af ​​kvark-gluon plasma er omkring 16 størrelsesordener større end i vand, forskerne fandt ud af, at forholdet mellem viskositeten og densiteten af ​​de to typer væsker er det samme. Dette tyder på, at en af ​​de mest eksotiske tilstande af stof, der vides at eksistere i vores univers, ville flyde ud af din hane på nogenlunde samme måde som vand.

Stoffet, der udgør vores univers, er lavet af atomer, som består af kerner med kredsende elektroner. Kerner består af protoner og neutroner, der tilsammen er kendt som nukleoner, og disse består igen af ​​kvarker, der interagerer via gluoner. Ved meget høje temperaturer - omkring en million gange varmere end midten af ​​Sunquarks og gluoner løsnes fra deres modernukleoner og danner i stedet en tæt, varm suppe kendt som kvark-gluon plasma.

Det menes, at det tidlige univers kort efter Big Bang var fyldt med utroligt varmt kvark-gluonplasma. Dette afkølede derefter mikrosekunder senere for at danne byggestenene til alt det stof, der findes i vores univers. Siden begyndelsen af ​​2000'erne har forskere været i stand til at genskabe kvark-gluon-plasma eksperimentelt ved hjælp af store partikelkollidere, som har givet ny indsigt i denne eksotiske tilstand af materien.

Det almindelige stof, vi møder på daglig basis, menes at have meget forskellige egenskaber end kvark-gluon-plasmaet, der blev fundet i universets tidlige begyndelse. For eksempel, væsker som vand er styret af opførsel af atomer og molekyler, der er meget større end partiklerne fundet i kvark-gluon plasma, og holdes sammen af ​​svagere kræfter.

Imidlertid, den nylige undersøgelse viser, at på trods af disse forskelle forholdet mellem viskositet og densitet, kendt som kinematisk viskositet, er tæt på både kvark-gluon plasma og almindelige væsker. Dette forhold er vigtigt, fordi væskestrømmen ikke afhænger af viskositeten alene, men er styret af Navier-Stokes-ligningen, som indeholder densitet og viskositet. Derfor, hvis dette forhold er det samme for to forskellige væsker, vil disse to væsker flyde på samme måde, selvom de har meget forskellige viskositeter og tætheder.

Vigtigt, det er ikke en hvilken som helst væskeviskositet, der falder sammen med viskositeten af ​​kvark-gluon plasma. Ja, væskeviskositeten kan variere med mange størrelsesordener afhængigt af temperaturen. Imidlertid, der er et meget særligt punkt, hvor væskeviskositeten har en næsten universel nedre grænse. Tidligere forskning viste, at inden for den grænse, væskeviskositeten er styret af fundamentale fysiske konstanter såsom Planck-konstanten og nukleonmassen. Det er disse naturkonstanter, der i sidste ende afgør, om en proton er en stabil partikel, og styrer processer som nuklear syntese i stjerner og skabelsen af ​​essentielle biokemiske elementer, der er nødvendige for liv. Den nylige undersøgelse viste, at det er denne universelle nedre grænse for viskositet for almindelige væsker som vand, der viser sig at være tæt på viskositeten af ​​kvark-gluon plasma.

Professor Kostya Trachenko, Professor i fysik ved Queen Mary University of London og forfatter til det nylige papir, sagde:"Vi forstår ikke fuldt ud oprindelsen af ​​denne slående lighed endnu, men vi tror, ​​det kan være relateret til de fundamentale fysiske konstanter, som sætter både den universelle nedre grænse for viskositet for både almindelige væsker og kvark-gluon plasma."

"Denne undersøgelse giver et ret sjældent og dejligt eksempel på, hvor vi kan lave kvantitative sammenligninger mellem meget forskellige systemer, " fortsætter professor Matteo Baggioli fra Universidad Autónoma de Madrid. "Væsker beskrives ved hydrodynamik, hvilket efterlader os med mange åbne problemer, der i øjeblikket er på forkant med fysikforskningen. Vores resultat viser fysikkens kraft til at omsætte generelle principper til specifikke forudsigelser om komplekse egenskaber såsom væskestrømning i eksotiske typer stof som kvark-gluon plasma."

At forstå kvark-gluon plasma og dets flow er i øjeblikket på forkant med højenergifysik. Stærke kræfter mellem kvarker og gluoner er beskrevet af kvantekromodynamik, en af ​​de mest omfattende fysiske teorier, der findes. Men mens kvantekromodynamik giver en teori om stærk kernekraft, det er meget svært at løse og forstå kvark-gluon plasma egenskaber ved at bruge dette alene.

"Det er tænkeligt, at det nuværende resultat kan give os en bedre forståelse af kvark-gluon-plasmaet, " tilføjede professor Vadim Brazhkin fra det russiske videnskabsakademi. "Årsagen er, at viskositeten i væsker på deres minimum svarer til et meget bestemt regime af væskedynamik, som vi først forstod for nylig. Ligheden med QGP antyder, at partikler i dette eksotiske system bevæger sig på samme måde som i postevand."