Deeltjesbotsingen die het quark-gluon-plasma (QGP) nabootsen dat het vroege heelal vulde, onthullen dat druppeltjes van deze oersoep veel sneller rondwervelen dan welke andere vloeistof dan ook. De nieuwe analyse van gegevens van de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek aan het Brookhaven National Laboratory - laat zien dat de "vorticiteit" van de QGP de wervelende vloeistofdynamica van super -cel tornado kernen en Jupiter's Grote Rode Vlek door vele ordes van grootte, en verslaat zelfs het snelste spinrecord van nanodruppeltjes supervloeibaar helium.

De resultaten, net gepubliceerd in Natuur , voeg een nieuw record toe aan de lijst van opmerkelijke eigenschappen die aan het quark-gluonplasma worden toegeschreven. Deze soep gemaakt van de fundamentele bouwstenen van de materie - quarks en gluonen - heeft een temperatuur die honderdduizenden keren heter is dan het centrum van de zon en een ultralage viscositeit, of weerstand tegen stroming, vooraanstaande natuurkundigen omschrijven het als 'bijna perfect'. Door deze eigenschappen en de factoren die ze beheersen te bestuderen, wetenschappers hopen de geheimen te ontrafelen van de sterkste en meest slecht begrepen kracht in de natuur - degene die verantwoordelijk is voor het binden van quarks en gluonen in de protonen en neutronen die tegenwoordig de meeste zichtbare materie in het universum vormen.

specifiek, de resultaten op vorticiteit, of wervelende vloeiende beweging, zal wetenschappers helpen sorteren tussen verschillende theoretische beschrijvingen van het plasma. En met meer gegevens het kan hen een manier geven om de sterkte van het magnetische veld van het plasma te meten - een essentiële variabele voor het onderzoeken van andere interessante natuurkundige verschijnselen.

"Tot nu toe, het grote verhaal bij het karakteriseren van de QGP is dat het een hete vloeistof is die explosief uitzet en gemakkelijk stroomt, " zei Michaël Lisa, een natuurkundige van de Ohio State University (OSU) en een lid van de STAR-samenwerking van RHIC. "Maar we willen deze vloeistof op een veel fijner niveau begrijpen. Thermaliseert het, of evenwicht bereiken, snel genoeg om wervelingen in de vloeistof zelf te vormen? En als het zo is, hoe reageert de vloeistof op de extreme vorticiteit?" De nieuwe analyse, die werd geleid door Lisa en OSU-afgestudeerde student Isaac Upsal, geeft STAR een manier om tot die fijnere details te komen.

Spins uitlijnen

"De theorie is dat als ik een vloeistof met vorticiteit heb - een wervelende onderstructuur - het de neiging heeft om de spins van de deeltjes die het uitzendt in dezelfde richting uit te lijnen als de wervelingen, " zei Lisa. En, terwijl er binnen de QGP veel kleine draaikolken kunnen zijn die allemaal in willekeurige richtingen wijzen, hun spins moeten gemiddeld overeenkomen met wat bekend staat als het impulsmoment van het systeem - een rotatie van het systeem die wordt gegenereerd door de botsende deeltjes terwijl ze met bijna de snelheid van het licht langs elkaar razen.

Om de draaiende deeltjes en het impulsmoment te volgen, STAR-natuurkundigen correleerden gelijktijdige metingen bij twee verschillende detectorcomponenten. De eerste, bekend als de Beam-Beam Counters, aan de voor- en achterkant van de STAR-detector van huisformaat zitten, het vangen van subtiele afbuigingen in de paden van botsende deeltjes als ze elkaar passeren. De grootte en richting van de afbuiging vertelt de natuurkundigen hoeveel impulsmoment er is en naar welke kant het wijst voor elke botsingsgebeurtenis.

In de tussentijd, STAR's Time Project Kamer, een met gas gevulde kamer die de aanvaringszone omringt, volgt de paden van honderden of zelfs duizenden deeltjes die loodrecht op het centrum van de botsingen uitkomen.

"We zijn specifiek op zoek naar tekenen van Lambda-hyperonen, draaiende deeltjes die vervallen in een proton en een pion die we meten in de tijdprojectiekamer, zei Ernst Sichtermann, een plaatsvervangend STAR-woordvoerder en senior wetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE. Omdat het proton bijna uitgelijnd is met de draairichting van de hyperon, het volgen waar deze "dochter"-protonen de detector raken, kan een stand-in zijn om te volgen hoe de spins van de hyperonen zijn uitgelijnd.

"We zijn op zoek naar een systematische voorkeur voor de richting van deze dochterprotonen in lijn met het impulsmoment dat we meten in de Beam-Beam Counters, " zei Upsal. "De omvang van die voorkeur vertelt ons de mate van vorticiteit - de gemiddelde snelheid van wervelen - van de QGP."

Superspin

De resultaten laten zien dat RHIC-botsingen de meest vorticale vloeistof ooit creëren, een QGP die sneller ronddraait dan een snel rijdende tornado, krachtiger dan de snelst draaiende vloeistof ooit. "Dus de meest ideale vloeistof met de kleinste viscositeit heeft ook de meeste vorticiteit, ' zei Lisa.

Dit soort heeft zin, omdat de lage viscositeit in de QGP ervoor zorgt dat de vorticiteit blijft bestaan, zei Lisa. "Viscositeit vernietigt wervelingen. Met QGP, als je hem laat draaien, het heeft de neiging om te blijven draaien."

De gegevens zijn ook in de marge van wat verschillende theorieën voorspelden voor QGP-vorticiteit. "Verschillende theorieën voorspellen verschillende bedragen, afhankelijk van welke parameters ze bevatten, dus onze resultaten zullen ons helpen om die theorieën te doorzoeken en te bepalen welke factoren het meest relevant zijn, " zei Sergei Voloshin, een STAR-medewerker van de Wayne State University. "Maar de meeste theoretische voorspellingen waren te laag, " voegde hij eraan toe. "Onze metingen tonen aan dat de QGP zelfs meer vortical is dan voorspeld."

Deze ontdekking werd gedaan tijdens het programma Beam Energy Scan, die gebruik maakt van het unieke vermogen van RHIC om de energie van botsingen systematisch te variëren over een bereik waarin andere bijzonder interessante verschijnselen zijn waargenomen. In feite, theorieën suggereren dat dit het optimale bereik kan zijn voor de ontdekking en daaropvolgende studie van de door vorticiteit geïnduceerde spin-uitlijning, aangezien het effect naar verwachting zal afnemen bij hogere energie.

Het verhogen van het aantal Lambda-hyperonen dat wordt gevolgd bij toekomstige botsingen bij RHIC, zal het vermogen van de STAR-wetenschappers verbeteren om deze metingen te gebruiken om de sterkte van het magnetische veld te berekenen dat wordt gegenereerd in RHIC-botsingen. De kracht van magnetisme beïnvloedt de beweging van geladen deeltjes terwijl ze worden gecreëerd en voortkomen uit RHIC-botsingen, dus het meten van de sterkte is belangrijk om de QGP volledig te karakteriseren, inclusief hoe het verschillend geladen deeltjes scheidt.

"Theorie voorspelt dat het magnetische veld dat wordt gecreëerd in experimenten met zware ionen veel hoger is dan enig ander magnetisch veld in het universum, " zei Lisa. Op zijn minst, in staat zijn om het nauwkeurig te meten, kan een ander record voor QGP opleveren.