Kernfysici die gegevens analyseren van de PHENIX-detector van de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science voor kernfysisch onderzoek in Brookhaven National Laboratory - hebben in het tijdschrift gepubliceerd Natuurfysica aanvullend bewijs dat botsingen van minuscule projectielen met gouden kernen kleine stipjes van de perfecte vloeistof creëren die het vroege universum vulden.

Wetenschappers bestuderen deze hete soep die bestaat uit quarks en gluonen - de bouwstenen van protonen en neutronen - om meer te weten te komen over de fundamentele kracht die deze deeltjes bij elkaar houdt in de zichtbare materie die onze huidige wereld vormt. Het vermogen om zulke kleine vlekjes van de oersoep (bekend als quark-gluon-plasma) te creëren was aanvankelijk onverwacht en zou inzicht kunnen bieden in de essentiële eigenschappen van deze opmerkelijke vorm van materie.

"Dit werk is het hoogtepunt van een reeks experimenten die zijn ontworpen om de vorm van de quark-gluon-plasmadruppels te ontwerpen, " zei PHENIX-medewerker Jamie Nagle van de Universiteit van Colorado, Kei, die hielpen bij het opstellen van het experimentele plan en de theoretische simulaties die het team zou gebruiken om hun resultaten te testen.

Het nieuwste artikel van de PHENIX-samenwerking bevat een uitgebreide analyse van botsingen tussen kleine projectielen (enkele protonen, twee-deeltjes deuteronen, en drie-deeltjes helium-3 kernen) met grote gouden kernen "doelen" bewegen in de tegenovergestelde richting met bijna de snelheid van het licht. Het team volgde deeltjes die uit deze botsingen kwamen, op zoek naar bewijs dat hun stroompatronen overeenkwamen met de oorspronkelijke geometrieën van de projectielen, zoals zou worden verwacht als de kleine projectielen inderdaad een perfect vloeibaar quark-gluon-plasma zouden creëren.

"RHIC is de enige versneller ter wereld waar we zo'n strak gecontroleerd experiment kunnen uitvoeren, botsende deeltjes gemaakt van één, twee, en drie componenten met dezelfde grotere kern, goud, allemaal met dezelfde energie, ' zei Nagel.

Perfecte vloeistof zorgt voor stroming

De "perfecte" vloeistof is nu een bekend fenomeen bij botsingen tussen twee gouden kernen bij RHIC, waar de intense energie van honderden botsende protonen en neutronen de grenzen van deze individuele deeltjes doet smelten en hun samenstellende quarks en gluonen in staat stelt zich te vermengen en vrijelijk te interageren. Metingen bij RHIC laten zien dat deze soep van quarks en gluonen stroomt als een vloeistof met een extreem lage viscositeit (ook bekend als bijna perfectie volgens de theorie van de hydrodynamica). Door het gebrek aan viscositeit kunnen drukgradiënten die vroeg in de botsing worden vastgesteld, aanhouden en beïnvloeden hoe deeltjes die uit de botsing komen, de detector raken.

"Als zulke lage viscositeitsomstandigheden en drukgradiënten worden gecreëerd in botsingen tussen kleine projectielen en gouden kernen, het patroon van deeltjes dat door de detector wordt opgepikt, moet een soort 'geheugen' van de oorspronkelijke vorm van elk projectiel behouden - bolvormig in het geval van protonen, elliptisch voor deuteronen, en driehoekig voor helium-3 kernen, " zei PHENIX-woordvoerder Yasuyuki Akiba, een natuurkundige bij het RIKEN-laboratorium in Japan en het RIKEN/Brookhaven Lab Research Center.

PHENIX analyseerde metingen van twee verschillende soorten deeltjesstroom (elliptisch en driehoekig) van alle drie de botsingssystemen en vergeleek ze met voorspellingen voor wat zou kunnen worden verwacht op basis van de initiële geometrie.

"De nieuwste gegevens - de driehoekige stroommetingen voor proton-goud- en deuteron-goudbotsingen die nieuw in dit artikel zijn gepresenteerd - maken het plaatje compleet, " zei Julia Velkovska, een plaatsvervangend woordvoerder van PHENIX, die een team leidde dat betrokken was bij de analyse aan de Vanderbilt University. "Dit is een unieke combinatie van waarneembare zaken die beslissende modeldiscriminatie mogelijk maakt."

"In alle zes gevallen de metingen komen overeen met de voorspellingen op basis van de initiële geometrische vorm. We zien zeer sterke correlaties tussen initiële geometrie en uiteindelijke stromingspatronen, en de beste manier om dat uit te leggen is dat quark-gluonplasma in deze kleine botsingssystemen is ontstaan. Dit is zeer overtuigend bewijs, ' zei Velkovska.

Vergelijkingen met theorie

De geometrische stromingspatronen worden natuurlijk beschreven in de theorie van de hydrodynamica, wanneer een bijna perfecte vloeistof wordt gecreëerd. De reeks experimenten waarbij de geometrie van de druppeltjes wordt bepaald door de keuze van het projectiel, was ontworpen om de hydrodynamische hypothese te testen en om deze te contrasteren met andere theoretische modellen die deeltjescorrelaties produceren die geen verband houden met de initiële geometrie. Eén zo'n theorie benadrukt dat kwantummechanische interacties - met name tussen de overvloed aan gluonen waarvan wordt aangenomen dat ze de interne structuur van de versnelde kernen domineren - een belangrijke rol spelen in de patronen die worden waargenomen in kleinschalige botsingssystemen.

Het PHENIX-team vergeleek hun gemeten resultaten met twee theorieën op basis van hydrodynamica die nauwkeurig het quark-gluon-plasma beschrijven dat wordt waargenomen bij de goud-goudbotsingen van RHIC, evenals die voorspeld door de op kwantummechanica gebaseerde theorie. De PHENIX-samenwerking ontdekte dat hun gegevens het beste passen bij de quark-gluon-plasmabeschrijvingen - en niet overeenkomen, in het bijzonder voor twee van de zes stromingspatronen, met de voorspellingen gebaseerd op de kwantummechanische gluon-interacties.

Het artikel bevat ook een vergelijking tussen botsingen van goudionen met protonen en deuteronen die specifiek zijn geselecteerd om overeen te komen met het aantal deeltjes dat bij de botsingen wordt geproduceerd. Volgens de theoretische voorspelling op basis van gluon-interacties, de deeltjesstroompatronen moeten identiek zijn, ongeacht de initiële geometrie.

"Met al het andere gelijk, we zien nog steeds een grotere elliptische stroom voor deuteron-goud dan voor proton-goud, wat beter aansluit bij de theorie voor hydrodynamische stroming en laat zien dat de metingen wel afhangen van de initiële geometrie, "Zei Velkovska. "Dit betekent niet dat de gluon-interacties niet bestaan, " vervolgde ze. "Die theorie is gebaseerd op solide verschijnselen in de natuurkunde die er zouden moeten zijn. Maar op basis van wat we zien en onze statistische analyse van de overeenkomst tussen de theorie en de gegevens, die interacties zijn niet de dominante bron van de uiteindelijke stroompatronen."

PHENIX analyseert aanvullende gegevens om de temperatuur te bepalen die is bereikt bij de kleinschalige botsingen. Als het warm genoeg is, die metingen zouden verder ondersteunend bewijs zijn voor de vorming van quark-gluonplasma.

De wisselwerking met theorie, inclusief concurrerende uitleg, zal blijven spelen. Berndt Müller, Brookhaven Lab's Associate Director voor Nucleaire en Deeltjesfysica, heeft experimentele natuurkundigen en theoretici opgeroepen om samen te komen om de details te bespreken tijdens een speciale workshop die begin 2019 zal worden gehouden. "Dit heen-en-weer proces van vergelijking tussen metingen, voorspellingen, en uitleg is een essentiële stap op weg naar nieuwe ontdekkingen - zoals het RHIC-programma heeft aangetoond tijdens zijn succesvolle 18-jarige werking, " hij zei.