In het begin, het universum was een superhete smeltkroes die heel kort een deeltjessoep opdiende die leek op een "perfecte, " wrijvingsloze vloeistof. Wetenschappers hebben deze "soep, " bekend als quark-gluon plasma, in hoogenergetische kernbotsingen om de oorsprong van ons universum en de aard van de materie zelf beter te begrijpen. De fysica kan ook relevant zijn voor neutronensterren, die de buitengewoon dichte kernen zijn van ingestorte sterren.

Nutsvoorzieningen, krachtige supercomputersimulaties van botsende atoomkernen, uitgevoerd door een internationaal team van onderzoekers, waaronder een natuurkundige van Berkeley Lab, nieuwe inzichten geven over het draaien, draaikolkachtige structuur van deze soep en wat erin aan het werk is, en verlicht ook een pad naar hoe experimenten deze kenmerken kunnen bevestigen. Het werk is gepubliceerd in de editie van 1 november van: Fysieke beoordelingsbrieven .

Materie, gedeconstrueerd

Deze soep bevat de gedeconstrueerde ingrediënten van materie, namelijk fundamentele deeltjes bekend als quarks en andere deeltjes genaamd gluonen die typisch quarks binden om andere deeltjes te vormen, zoals de protonen en neutronen die in de kernen van atomen worden gevonden. In deze exotische plasmatoestand, die biljoenen graden Fahrenheit kan bereiken, honderdduizenden keren heter dan de kern van de zon - protonen en neutronen smelten, het bevrijden van quarks en gluonen van hun gebruikelijke grenzen in het centrum van atomen.

Deze recordhoge temperaturen zijn bereikt door het botsen van gouden kernen in het Brookhaven National Laboratory's RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), bijvoorbeeld, en leiden kernen bij CERN's LHC (Large Hadron Collider). Experimenten bij RHIC ontdekten in 2005 dat quark-gluonplasma zich gedraagt ​​als een vloeistof. Naast gouden kernen, RHIC is ook gebruikt om protonen te laten botsen, koper en uranium. De LHC begon in 2014 met het uitvoeren van experimenten met zware ionen, en heeft bevestigd dat het quark-gluon-plasma zich als een vloeistof gedraagt.

Er blijven veel mysteries over de innerlijke werking van deze kortstondige plasmatoestand, die misschien maar een miljoenste van een seconde bestond in het pasgeboren universum, en kernfysici gebruiken een mix van theorie, simulaties en experimenten om nieuwe details over deze subatomaire soep te verzamelen.

Verrassende complexiteit in plasmastructuur

"In onze geavanceerde simulaties, we ontdekten dat dit plasma veel meer structuur heeft dan we ons realiseerden, " zei Xin-Nian Wang, een theoreticus in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab die jarenlang heeft gewerkt aan de fysica van hoogenergetische kernbotsingen.

Wanneer uitgezet in twee dimensies, de simulaties vonden dat licht excentrische botsingen van zware kernen een wiebelende en uitzettende vloeistof produceren, Wang zei, met lokale rotatie die op een kurkentrekkerachtige manier is gedraaid.

Dit kurkentrekkerkarakter heeft betrekking op de eigenschappen van de botsende kernen die het plasma creëerden, waarvan de simulatie liet zien dat deze zich uitbreidde langs - en loodrecht op - de richting van de straal. Zoals het draaien van een munt door er met je vinger op te tikken, de simulaties toonden aan dat de impulsmoment-eigenschappen van de botsende kernen spin-eigenschappen kunnen overbrengen naar het quark-gluonplasma in de vorm van wervelen, ringachtige structuren die bekend staan ​​als vortices.

De simulaties toonden twee van deze donutvormige wervels - elk met een rechtshandige oriëntatie rond elke richting van de afzonderlijke bundels van de botsende kernen - en ook veel paren tegengesteld georiënteerde wervels langs de langste dimensie van het plasma. Deze donutvormige kenmerken zijn analoog aan wervelende rookringen en komen veel voor in klassieke studies van vloeistoffen, een gebied dat bekend staat als hydrodynamica.

De simulaties onthulden ook een naar buiten gerichte stroming van hot spots in het plasma die lijken op de spaken van een wiel. De tijdschaal die in de simulatie werd behandeld, was oneindig klein, Wang zei, ongeveer de hoeveelheid tijd die het licht nodig heeft om de afstand van 10-20 protonen af ​​te leggen. Gedurende deze tijd explodeert de wiebelende vloeistof als een vuurbal, de deeltjessoep uit het midden sneller naar buiten spuiten dan vanaf de bovenkant.

Elk nieuw begrip van de eigenschappen van quark-gluon-plasma zou nuttig moeten zijn bij het interpreteren van gegevens van experimenten met botsende kernen, Wang zei, opmerkend dat de opkomst van verschillende gelokaliseerde donutachtige structuren in de simulaties "compleet onverwacht" was.

Een mysterie ontrafelen

"We kunnen dit zien als het openen van een volledig nieuw venster om naar quark-gluon-plasma's te kijken, en hoe ze te bestuderen, " zei hij. "Hopelijk zal dit een nieuwe toegangspoort bieden tot het begrijpen waarom deze quark-gluonvloeistof zo'n perfecte vloeistof is - de aard van waarom dit zo is, is nog steeds een raadsel. Dit werk zal niet alleen de theorie ten goede komen, maar ook experimenten."

De simulaties leveren meer bewijs dat het quark-gluonplasma zich gedraagt ​​als een vloeistof, en niet een gas zoals ooit werd getheoretiseerd. "De enige manier waarop je dit kunt beschrijven, is door een zeer kleine viscositeit te hebben, " of nauwelijks wrijving, een kenmerk van een zogenaamde 'perfecte vloeistof' of 'fundamentele vloeistof, '" zei Wang. Maar in tegenstelling tot een bekende vloeistof als water, de simulatie richt zich op een vloeibare toestand die honderden keren kleiner is dan een watermolecuul.

Michaël Lisa, een natuurkundeprofessor aan de Ohio State University die deel uitmaakt van de samenwerking ter ondersteuning van de Solenoidal Tracker bij RHIC (STAR), zei dat de zogenaamde vorticiteit of "wervelstructuur" van dit plasma nooit experimenteel is gemeten, hoewel dit laatste theoretische werk kan helpen om er meer over te weten te komen. STAR is ontworpen om de vorming en kenmerken van het quark-gluonplasma te bestuderen.

"Wang en zijn medewerkers hebben een geavanceerde, state-of-the-art hydrodynamisch model van het quark-gluon plasma en hebben wervelende structuren geïdentificeerd die variëren binnen de vloeistof zelf, " zei hij. "Nog nuttiger is het feit dat ze een methode voorstellen om deze structuren in het laboratorium te meten."

Lisa zei ook dat er lopende analysewerkzaamheden zijn om de bevindingen van de simulatie te bevestigen in gegevens van experimenten bij RHIC en de LHC. “Het zijn juist innovaties als deze, waar theorie en experiment samenwerken om nieuwe fenomenen te verkennen, die de grootste hoop koesteren op meer inzicht in het quark-gluonplasma, " hij zei.

"Er zijn veel hulpmiddelen gebruikt om de innerlijke werkingsmechanica en symmetrie-eigenschappen van deze unieke materie te onderzoeken, " zei Zhangbu Xu, een woordvoerder van de STAR-samenwerking en een stafwetenschapper bij Brookhaven National Laboratory. Hij zei ook dat de voorlopige resultaten van STAR ook wijzen op een draaiende beweging in de vloeistof, en het simulatiewerk "voegt een nieuwe dimensie toe" aan deze mogelijkheid.