Wetenschappers van het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, en hun collega's van de internationale ALICE-samenwerking botsten onlangs met xenonkernen in de supergeleidende Large Hadron Collider om nieuwe inzichten te krijgen in de eigenschappen van het quark-gluonplasma (QGP). De QGP is een speciale toestand die bestaat uit quarks en de gluonen die de quarks aan elkaar binden. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurkunde Letters B .

De onderzoekers vervingen de loodionen die gewoonlijk worden gebruikt voor botsingen met xenon-ionen. Xenon is een kleiner atoom met minder nucleonen in de kern. Bij botsende ionen, wetenschappers creëren een vuurbal die de beginomstandigheden van het universum nabootst bij temperaturen van meer dan enkele miljarden graden. In tegenstelling tot het universum, de levensduur van de in het laboratorium geproduceerde druppeltjes QGP is ultrakort, een fractie van een seconde (ongeveer 10 ^-22 seconden). Onder deze voorwaarden, de dichtheid van quarks en gluonen is erg hoog, en een speciale toestand van materievormen waarin quarks en gluonen quasi-vrij zijn, in de sterk interagerende QGP-status. De experimenten onthullen dat in het moment voordat atomen in het universum werden gevormd, oermaterie gedroeg zich als een vloeistof die kan worden beschreven in termen van hydrodynamica.

"Een van de uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd, is dat, bij zware ionenbotsingen, alleen de informatie over de eindtoestand van de vele deeltjes die door de experimenten zijn gedetecteerd, is direct beschikbaar, maar we willen weten wat er gebeurde aan het begin van de botsing en de eerste momenten daarna, " zegt You Zhou, postdoc in de onderzoeksgroep Experimental Subatomic Physics aan het Niels Bohr Instituut. "We hebben nieuwe en krachtige tools ontwikkeld om de eigenschappen te onderzoeken van de kleine druppel QGP die we in de experimenten hebben gemaakt."

De onderzoekers bestudeerden de ruimtelijke verdeling van de vele duizenden deeltjes die voortkwamen uit de botsingen toen de quarks en gluonen vastzaten in de deeltjes waaruit het universum vandaag bestaat. Dit weerspiegelt niet alleen de initiële geometrie van de botsing, maar is gevoelig voor de eigenschappen van de QGP. Het kan worden gezien als een hydrodynamische stroming. "De transporteigenschappen van het quark-gluonplasma bepalen de uiteindelijke vorm van de wolk van geproduceerde deeltjes na de botsing, dus dit is onze manier om het moment van QGP-creatie zelf te benaderen, "Jij Zhou zegt.

De mate van anisotrope deeltjesverdeling - het feit dat er meer deeltjes in bepaalde richtingen zijn - weerspiegelt drie belangrijke stukjes informatie:de eerste is de initiële geometrie van de botsing. De tweede is de heersende omstandigheden binnen de botsende nucleonen. De derde is de afschuifviscositeit van het quark-gluonplasma zelf. Afschuifviscositeit drukt de stromingsweerstand van de vloeistof uit, een belangrijke fysieke eigenschap van de gecreëerde materie. "Het is een van de belangrijkste parameters om de eigenschappen van het quark-gluonplasma te bepalen, "Jij Zhou legt uit, "omdat het ons vertelt hoe sterk de gluonen de quarks aan elkaar binden."

"Met de nieuwe xenonbotsingen, we hebben zeer strikte beperkingen gesteld aan de theoretische modellen die de uitkomst beschrijven. Ongeacht de beginvoorwaarden, lood of xenon, de theorie moet ze tegelijkertijd kunnen beschrijven. Als bepaalde eigenschappen van de viscositeit van het quarkgluonplasma worden geclaimd, het model moet beide datasets tegelijkertijd beschrijven, ", zegt You Zhou. De mogelijkheden om meer inzicht te krijgen in de feitelijke eigenschappen van de "oersoep" worden dus aanzienlijk verbeterd met de nieuwe experimenten. Het team is van plan om met andere nucleaire systemen te botsen om de fysica verder te beperken, maar dit vereist een aanzienlijke ontwikkeling van nieuwe LHC-balken.