Quark-gluonplasma wordt gevormd als gevolg van hoogenergetische botsingen van zware ionen. Na een aanrijding, voor een tiental yoctoseconden (10 ^-24 seconden), deze meest perfecte van alle bekende vloeistoffen ondergaat een snelle hydrodynamische expansie met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Een internationaal team van wetenschappers, verbonden aan de IFJ PAN en het GSI Centre, heeft een nieuw model gepresenteerd dat deze extreme stromen beschrijft. Voor de eerste keer, effecten als gevolg van de kwantumrotatie van de deeltjes worden in aanmerking genomen.

Elk proton en elk neutron is samengesteld uit verschillende quarks die zijn gebonden door sterke interacties die worden gedragen door intermediaire deeltjes die gluonen worden genoemd. Wanneer zware ionen opgebouwd uit protonen en neutronen met bijna de lichtsnelheid op elkaar botsen, ze worden meestal vernietigd, transformeren in een exotisch quark-gluon plasma. Door de verwaarloosbare viscositeit, dit plasma wordt beschouwd als de meest perfecte vloeistof in het universum. Nieuwe experimentele metingen, echter, suggereren dat de deeltjes die het plasma verlaten een niet-triviale rangschikking van hun spinrichtingen vertonen. Om deze resultaten te verklaren, een groep wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau en het GSI Helmholtz Centrum voor Onderzoek naar Zware Ionen in Darmstadt (Duitsland) heeft een nieuw model gepresenteerd van relativistische stromen van quark-gluonplasma, rekening houdend met de verschijnselen die voortkomen uit de kwantumspin van de deeltjes die het vormen.

Ongeveer tien microseconden na de oerknal, quark-gluon plasma vulde het hele universum. Echter, het koelde snel af en gluonen plakten de quarks aan elkaar in groepen - de deeltjes waaruit onze wereld is opgebouwd. Als resultaat, quark-gluonvloeistof kan tegenwoordig alleen worden gezien als het effect van hoogenergetische botsingen van zware ionen (en, mogelijk, ook van kleinere botsende systemen bestaande uit protonen en ionen). In slechts enkele acceleratorcentra in de wereld vinden momenteel dergelijke aanvaringen plaats.

De stroming van vloeistoffen en gassen wordt behandeld in de hydrodynamica, een gebied dat al eeuwen in ontwikkeling is. Na de opkomst van de relativiteitstheorie, klassieke hydrodynamica werd uitgebreid met relativistische verschijnselen, ontstaat wanneer vloeistof stroomt met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Na de geboorte van de kwantumtheorie, hydrodynamica werd uitgebreid met beschrijvingen van de stroom van deeltjes met spin.

Spin is een kenmerk van elementaire deeltjes geassocieerd met de eigenschappen van hun golffuncties ten opzichte van rotatie. Het kan alleen discrete waarden aannemen, bijv. 0, 1/2, 1, 3/2, etc. De draairichting van deeltjes met spin 1/2 kan ten opzichte van elke as gelijk zijn aan +1/2 of -1/2. De niet-nul polarisatie van deeltjes met spin 1/2 betekent dat de geproduceerde deeltjes meer kans hebben om één spinrichting aan te nemen (+1/2 of -1/2).

"Hydrodynamica is een uitstekend hulpmiddel om veel fysieke verschijnselen te beschrijven. We hebben het toepassingsgebied ervan verbreed. We zijn de eersten die een coherente beschrijving presenteren van relativistische deeltjesstromen met spin 1/2, " legt prof. Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMMI), die in samenwerking met de groep van prof. Bengt Friman (GSI) een nieuw stromingsmodel heeft ontwikkeld.

Het werk aan het model van relativistische stromingen met spin is geïnspireerd op recente metingen van de polarisatie van spins van deeltjes die bekend staan ​​als Lambda-hyperonen (dit zijn conglomeraten van drie quarks:up, naar beneden en vreemd, met een totale spin van 1/2), geregistreerd bij botsingen met zware ionen. Natuurkundigen experimenteren al lang om de polarisatie van Lambda-hyperonen beter te begrijpen. De maten, echter, waren onderhevig aan grote onzekerheid. Onlangs, in experimenten uitgevoerd in het Brookhaven National Laboratory in New York, er werd aangetoond dat de spins van de Lambda-hyperonen zich vormden bij botsingen van zware gepolariseerde kernen.

Het is al lang bekend dat de spin van een kwantumobject bijdraagt ​​aan het totale momentum. Bijvoorbeeld, in ferromagnetische materialen, het Einstein-de Haas-effect kan worden waargenomen. Wanneer een niet-gepolariseerd systeem in een magnetisch veld wordt geplaatst, de spin van de deeltjes begint te oriënteren volgens het magnetische veld, wat betekent dat om het totale impulsmoment te behouden, het systeem moet beginnen te draaien. Waarneming van de polarisatie van de Lambda-hyperonen gevormd als gevolg van quark-gluon-plasmatransformaties geeft dus de moeilijk te negeren rol van spin bij het vormgeven van de stroom van dit plasma aan.

Het model gepresenteerd door de groep natuurkundigen van IFJ PAN en GSI is een generalisatie van de hydrodynamica van perfecte vloeistof. Aangezien er spin is in de beschreven systemen, het principe van behoud van impulsmoment had in de theoretische beschrijving moeten worden opgenomen.

"Net zoals temperatuur wordt geassocieerd met het principe van behoud van energie, snelheid met het principe van behoud van momentum, en elektrisch potentieel met het principe van behoud van laadstroom, dus in de door ons beschreven systemen, spinpolarisatie wordt geassocieerd met het principe van behoud van momentum. Als je rekening houdt met dit principe, je krijgt extra vergelijkingen, een betere beschrijving van de evolutie van het systeem, " legt prof. Florikowski uit.

Quark-gluonplasma is zo'n exotische toestand van materie dat decennia lang technologische toepassingen zullen buiten bereik zijn. Echter, deze studies hebben vandaag belangrijke implicaties. Relativistische stromen van deeltjes met spin zijn een nieuw venster op de wereld van sterke interacties, die, onder andere, quarks binden in protonen en neutronen. Dus, sterke interacties spelen een zeer belangrijke rol in het universum, maar ze zijn buitengewoon ingewikkeld om te beschrijven. Daarom, onderzoekers hopen dat het in relativistische stromingen met spin mogelijk zal zijn om deze effecten wat beter te leren kennen.