Botsingen van loodkernen in de Large Hadron Collider (LHC) vinden plaats met zulke grote energieën dat quarks die normaal in nucleonen zijn opgesloten, vrijkomen en, samen met de gluonen die ze bij elkaar houden, vormen een exotisch quark-gluon plasma. een nieuwe, meer gedetailleerd theoretisch model voor dit plasma, gepresenteerd door een groep natuurkundigen uit Polen en de VS, voorspelt dat het een veel lagere viscositeit heeft dan eerder werd geschat.

Onze dagelijkse wereld bestaat voornamelijk uit protonen en neutronen, elk bevat drie quarks die bij elkaar worden gehouden door sterke interacties die worden overgebracht door dragers die gluonen worden genoemd. In tegenstelling tot de zwaartekracht, die op afstand zwakker werkt, sterke interacties van quarks nemen toe met grotere afstand. Quarks gedragen zich alsof ze verbonden zijn met veren - hoe verder je ze scheidt, hoe harder ze proberen verbonden te blijven. Echter, de energieën van deeltjes die in de LHC worden versneld, zijn zo hoog dat, tijdens botsingen, quarks komen vrij uit protonen. Quark-gluonplasma wordt gedurende korte tijd geproduceerd - de meest exotische vloeistof die ooit in laboratoria is onderzocht. Tot voor kort, natuurkundigen geloofden dat het vrij stroperig was. Een andere conclusie is naar voren gekomen uit analyses door onderzoekers van het Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) in Krakau en Kent State University in Kent (Ohio, VS).

"In de natuurkunde stromen worden beschreven met behulp van hydrodynamische vergelijkingen. Bij het toepassen van de eenvoudigste versies hiervan op quark-gluon plasma-evolutie, de voorspellingen komen redelijk overeen met LHC-botsingsmetingen. Op het eerste gezicht, de quark- en gluonsoep lijkt zich echt te gedragen volgens simpele verwachtingen. Echter, als we goed gaan kijken, het wordt al snel duidelijk dat we te maken hebben met een zeer complex fenomeen, " zegt Dr. Radoslaw Ryblewski (IFJ PAN).

De wiskundige beschrijving van vloeistof gaat ervan uit dat de vloeistof perfect is, d.w.z. zonder viscositeit. Aangezien er geen perfecte vloeistoffen in de natuur zijn, verschillende correcties worden geïntroduceerd om de nauwkeurigheid van hydrodynamische vergelijkingen te verbeteren. Echter, de resulterende varianten van viskeuze vloeistof hydrodynamica zijn gebaseerd op verdere aannames, bijvoorbeeld dat de druk in vloeistof in alle richtingen op dezelfde manier verandert.

"Het probleem is dat quark-gluon-plasma in de LHC op een heel specifieke manier wordt geproduceerd, als gevolg van botsingen van loden kernen die in één richting naderen met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Als resultaat, de vloeistof gevormd door quarks en gluonen beweegt aanvankelijk in de richting van de bundel, en pas dan begint het af te koelen en in alle richtingen te verdunnen, " legt Dr. Ryblewski uit. "Bij het maken van een model, de omvang van de uitdaging wordt nog groter wanneer we proberen rekening te houden met het feit dat aan het begin van het proces, de vloeistof is anders dan aan het einde - aangezien na afkoeling, de quarks beginnen geleidelijk weer aan elkaar te kleven. Dus, samen met Prof. Wojciech Florkowski, we begonnen een meer gedetailleerd model van het fenomeen te ontwikkelen:anisotrope hydrodynamica, gebaseerd op de veronderstelling dat het systeem zich niet in alle richtingen op dezelfde manier gedraagt."

Het nieuwste theoretische model, geconstrueerd op basis van anisotrope hydrodynamica, is zojuist gepresenteerd Fysieke beoordelingsbrieven . Een van de meest interessante conclusies betreft de viscositeit van quark-gluonplasma. Deze viscositeit blijkt zes keer minder te zijn dan de numerieke voorspellingen van andere modellen op basis van de hydrodynamica van viskeuze vloeistof.

In tegenstelling tot de vorige vergelijkingen, in bepaalde gevallen, de nieuwe kunnen met praktisch elk niveau van nauwkeurigheid worden opgelost. Door hun voorspellingen te combineren met gegevens van andere modellen en ze herhaaldelijk te vergelijken met werkelijke metingen in het ALICE-experiment bij de LHC, het Pools-Amerikaanse team heeft aangetoond dat anisotrope hydrodynamica momenteel de meest nauwkeurige beschrijving is van de verschijnselen die optreden in quark-gluonplasma.