Die Forscher stellen eine heiß-dichte Quark- und Gluonensuppe her, die das frühe Universum füllte

Für ein paar Millionstel Sekunden kurz nach dem Urknall glauben Kosmologen, dass das Universum mit einer heißen dichten „Suppe“ aus Quarks und Gluonen gefüllt war. Jetzt glauben die Forscher, dass sie die Kollision von winzigen Projektilen und Goldkernen genutzt haben könnten, um winzige Flecken dieser perfekten Urflüssigkeit zu erzeugen.

Wenn Kollisionen zwischen kleinen Projektilen - Protonen (p), Deuteronen (d) und Helium-3-Kernen (3He) - und Goldkernen (Au) winzige heiße Stellen aus Quark-Gluon-Plasma erzeugen, nimmt der Detektor das Partikelmuster auf sollte etwas

Die Untersuchung dieser Flüssigkeit soll Aufschluss über die Kraft geben, die die Bindung von Quarks und Gluonen bestimmt, den Grundpartikeln, aus denen Protonen und Neutronen und damit die gesamte sichtbare Materie um uns herum bestehen. Was die Forscher aber nicht erwartet hatten, war, diese Flüssigkeit aus fundamentalen Partikeln nachbauen zu können.

Nuklearphysiker entdeckten das seltsame Produkt, als sie Daten vom PHENIX-Detektor des Brookhaven Lab beim Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) analysierten und diese Woche ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten.

Jamie Nagle, ein PHENIX-Mitarbeiter, half bei der Entwicklung des Versuchsplans und der theoretischen Simulationen, anhand derer das Team seine Ergebnisse testete: „Diese Arbeit ist das Ergebnis einer Reihe von Experimenten, mit denen die Form der Quark-Gluon-Plasmatröpfchen entwickelt wurde . "

Die Entdeckung wurde gemacht, als das Team die Flugbahnen von Partikeln untersuchte, die durch den Aufprall kleiner Projektile wie einzelner Protonen, Deuteriumatome und Helium-3-Kerne auf Goldkern- „Ziele“ erzeugt wurden. Es wurde festgestellt, dass die Strömungsmuster dieser Partikel genau der Geometrie der ursprünglichen Projektile entsprechen, wie es zu erwarten wäre, wenn sie eine perfekte Flüssigkeit aus Quark-Gluon-Plasma erzeugen würden.

Nagle sagte: "RHIC ist der einzige Beschleuniger auf der Welt, bei dem wir ein derart streng kontrolliertes Experiment durchführen können, bei dem Teilchen aus einer, zwei und drei Komponenten mit demselben größeren Kern, Gold, bei gleicher Energie kollidieren."

Vorherige Sichtungen perfekter Flüssigkeiten

Der PHENIX-Detektor am relativistischen Schwerionencollider (Brookhaven National Lab)

Die Verwendung des RHIC, des weltweit größten Teilchenbeschleunigers vor der Aktivierung des LHC, ermöglichte es den Physikern zuvor, den Fluss perfekter Flüssigkeiten zu beobachten, und ihre Existenz ist gut etabliert. Wenn beispielsweise die Kerne von Goldpartikeln mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren, schmilzt die extreme Energie von Hunderten von kollidierenden Protonen und Neutronen die Grenzen der wechselwirkenden Partikel, sodass die Gluonen und Quarks, aus denen sie bestehen, frei interagieren können.

Eine Computer-Visualisierung von 7.200.000.000.000 Quark-Gluon-Plasma, das 2010 im RHIC-Collider erstellt wurde (Brookhaven National Lab)

Diese resultierende Flüssigkeit fließt wie eine Flüssigkeit mit einer extrem niedrigen Viskosität, sodass Druckgradienten, die zu Beginn der Kollision erzeugt werden, bestehen bleiben und Einfluss darauf haben, wie andere Partikel auf den Detektor treffen.

Dies bedeutet, dass die Partikel, die auf den Detektor treffen, ein „Gedächtnis“ der ursprünglichen Form jedes Projektils behalten - sphärisch bei Protonen, elliptisch bei Deuteronen und dreieckig bei Helium-3-Kernen.

PHENIX analysierte Messungen von zwei verschiedenen Arten des Partikelflusses (elliptisch und dreieckig) aus allen drei Kollisionssystemen und verglich sie mit Vorhersagen darüber, was auf der Grundlage der anfänglichen Geometrie zu erwarten ist.

Julia Velkovska, stellvertretende Sprecherin von PHENIX, die ein an der Analyse der Vanderbilt University beteiligtes Team leitete, sagte: „Die Messungen stimmen mit den Vorhersagen auf der Grundlage der ursprünglichen geometrischen Form überein. Wir sehen sehr starke Korrelationen zwischen der anfänglichen Geometrie und den endgültigen Strömungsmustern. Der beste Weg, dies zu erklären, ist, dass in diesen kleinen Kollisionssystemen Quark-Gluon-Plasma erzeugt wurde. “

Die Teams verglichen die resultierenden geometrischen Strömungsmuster in diesem letzten Experiment mit der Theorie der Hydrodynamik, die es ihnen ermöglichte, Korrelationen auszuschließen, die von anderen physikalischen Theorien wie der Quantenmechanik für die zuvor durchgeführten Gold-Gold-Kollisionen vorgeschlagen wurden.

"Wenn alles andere gleich ist, sehen wir immer noch einen größeren elliptischen Fluss für Deuteron-Gold als für Proton-Gold, was der Theorie für den hydrodynamischen Fluss besser entspricht und zeigt, dass die Messungen von der anfänglichen Geometrie abhängen", sagte Velkovska. "Aber basierend auf dem, was wir sehen und unserer statistischen Analyse der Übereinstimmung zwischen der Theorie und den Daten, sind diese Wechselwirkungen nicht die dominierende Quelle für die endgültigen Strömungsmuster."

PHNIX wird nun Daten aus diesen Experimenten untersuchen, um die Temperatur zu bestimmen, die bei den Kollisionen im kleinen Maßstab erreicht wird. Wenn sie heiß genug sind, wird dies auch die Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma unterstützen.

Ursprüngliche Forschung: https://www.nature.com/articles/s41567-018-0360-0