Quark-gluon-plasma's behoren de laatste tijd tot de meest uitgebreid onderzochte onderwerpen door natuurkundigen. Dankzij de grootste deeltjesversnellers die vandaag in bedrijf zijn, de Large Hadron Collider (LHC) in Europa en de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in de Verenigde Staten, het is nu mogelijk om een ​​quark-gluonplasma in het laboratorium te reproduceren. Aangenomen wordt dat deze toestand van materie gedurende een fractie van een seconde na de oerknal de overhand heeft gehad in het universum.

Volgens het standaard kosmologische model, de duur van het quark-gluonplasma in het oeruniversum was niet meer dan een miljoenste van een seconde, aangezien men denkt dat het heelal ongeveer 10 . is afgekoeld ^-6 seconden na de oerknal zover dat quarks en gluonen niet meer vrij konden bewegen en in plaats daarvan opgesloten raakten in hadronen (protonen, neutronen, mesonen, enzovoort.). In de hoogenergetische kernbotsingen geproduceerd bij de LHC en RHIC, de quark-gluonplasma's gaan zelfs nog korter mee - ongeveer 10 ^-23 seconden - vanwege steile drukgradiënten. Ondanks hun vergankelijkheid en kleine volume (de diameter van een proton is in de orde van 10 ^-15 m), quark-gluonplasma's verbergen intense en complexe innerlijke activiteit.

Deze activiteit wordt geleidelijk onthuld in LHC- en RHIC-experimenten, en er zijn nieuwe theoretische benaderingen ontwikkeld om hun resultaten te verklaren of te voorspellen. Een voorbeeld, onder vele anderen, is de studie getiteld "Hydrodynamische voorspellingen voor gemengde harmonische correlaties in 200 GeV Au+Au-botsingen, " gepubliceerd in Fysieke beoordeling C en gemarkeerd als een suggestie van de redactie.

De studie werd uitgevoerd door Fernando Gardim van het Science &Technology Institute van de Federale Universiteit van Alfenas, Staat Minas Gerais (Zuidoost-Brazilië); Frédérique Grassi en Matthew Luzum van het Natuurkundig Instituut van de Universiteit van São Paulo (USP); en Jacquelyn Noronha-Hostler van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Houston.

"Vanwege de zeer korte duur, een quark-gluonplasma kan niet direct worden waargenomen, " zei Grassi. "De experimenten zijn in staat om de hadronen te detecteren die worden gevormd wanneer quarks en gluonen recombineren. Deze hadronen planten zich in verschillende richtingen voort. Hun hoekverdeling rond de botsingsas levert zeer relevante informatie over de structuur en dynamiek van het plasma en, bijgevolg, over de aard van fundamentele interacties in materie. onze studie, wat theoretisch was, uiteengezet om specifieke patronen in de hoekverdeling van de hadronen te voorspellen."

De onderzoekers gebruikten een hydrodynamisch model genaamd NeXSPheRIO, die nauwkeurig een breed scala aan gegevens reproduceerde die experimenteel bij RHIC waren verkregen. De op basis daarvan uitgevoerde computersimulaties stelden de onderzoekers in staat voorspellingen te doen die in nieuwe experimenten getest kunnen worden, zodat het model gevalideerd of gecorrigeerd kan worden.

"De hoekverdeling die in de experimenten werd waargenomen, wordt ontleed in een reeks die in de wiskunde bekend staat als een Fourier-reeks, Grassi legde uit. "Elke term in de reeks komt overeen met een specifiek kenmerk van de distributie, en de reeks als geheel vertelt ons hoeveel deeltjes bewegen volgens elk patroon. De term 'gemengde harmonische correlaties' die in de titel wordt gebruikt, is de technische term die de correlaties tussen verschillende Fourier-coëfficiënten noemt.

"Als een quark-gluonplasma strikt homogeen zou zijn en de eigenschappen van een gas had - als de deeltjes weinig interactie hadden - dan zou de resulterende stroom van hadronen isotroop zijn [gelijk in alle richtingen]. Maar dat is niet het geval. Werkelijke stromen gedetecteerd experimenteel zijn anisotroop, en de hoekverdeling vertoont niet-null Fourier-coëfficiënten, wat ons vertelt dat het plasma niet homogeen is en dat de deeltjes sterk op elkaar inwerken."

De verdelingscoëfficiënten worden volgens hun geometrische kenmerken geclassificeerd als elliptisch, driehoekig, vierhoekig, vijfhoekig, enz. De overheersende stroom is elliptisch, omdat de hadronstraal veel sterker is in een van de richtingen loodrecht op de botsas. Deze distributie, die het gevolg is van de sterke interactie tussen quarks en gluonen, geeft aan dat het plasma geen gas is maar een vloeistof. Echter, het is niet zomaar een vloeistof. Het feit dat de elliptische stroming niet wordt afgezwakt toont aan dat de viscositeit van deze vloeistof extreem laag is. In feite, een quark-gluonplasma is de minst viskeuze - of meest perfecte - vloeistof die ooit is ontdekt.

"Eerder onderzoek had al aangetoond dat een quark-gluon-plasma een quasi-perfecte vloeistof is. Wat ons onderzoek toevoegde, was een beter begrip van de niet-homogeniteit van de energieverdeling in het plasma, " legde Grassi uit. Met zijn zeer korte duur en minieme afmetingen, een quark-gluonplasma is zeer dynamisch. Door fluctuaties varieert de energiedichtheid van de ene regio tot de andere. Het onderzoek biedt dieper inzicht in het verband tussen deze dynamiek en fluctuaties.

"Omdat NeXSPheRIO tot nu toe goed overeenkwam met alle waarnemingen die tot nu toe bij RHIC zijn gedaan, we geloven dat zijn voorspellingen kunnen worden gebruikt als vergelijkingsbasis voor nieuwe metingen die moeten worden gedaan bij de Amerikaanse botser, Grassi zei. "Elke afwijking van de voorspellingen zal waardevolle niet-triviale informatie opleveren, hetzij over de beginfase van de botsing die aanleiding geeft tot het plasma of over de intrinsieke eigenschappen van het medium."