Wat heeft quark-gluonplasma - de hete soep van elementaire deeltjes die een paar microseconden na de oerknal wordt gevormd - gemeen met kraanwater? Wetenschappers zeggen dat het de manier is waarop het stroomt.

Een nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift SciPost Natuurkunde , heeft de verrassende overeenkomsten tussen quark-gluonplasma, de eerste materie waarvan men dacht dat het het vroege heelal had gevuld, en water dat uit onze kraan komt.

De verhouding tussen de viscositeit van een vloeistof, de mate van hoe vloeibaar het is, en zijn dichtheid, bepaalt hoe het stroomt. Hoewel zowel de viscositeit als de dichtheid van quark-gluonplasma ongeveer 16 ordes van grootte groter zijn dan in water, de onderzoekers ontdekten dat de verhouding tussen de viscositeit en de dichtheid van de twee soorten vloeistoffen hetzelfde is. Dit suggereert dat een van de meest exotische toestanden van materie waarvan bekend is dat ze in ons universum bestaan, op ongeveer dezelfde manier als water uit je kraan zou stromen.

De materie waaruit ons universum bestaat, bestaat uit atomen, die bestaan ​​uit kernen met elektronen in een baan om de aarde. Kernen bestaan ​​uit protonen en neutronen die gezamenlijk bekend staan ​​als nucleonen en deze bestaan ​​op hun beurt uit quarks die interageren via gluonen. Bij zeer hoge temperaturen - ongeveer een miljoen keer heter dan het centrum van de Sun-quarks en gluonen, breken ze los van hun oudernucleonen en vormen in plaats daarvan een dichte, hete soep bekend als quark-gluon plasma.

Men denkt dat kort na de oerknal het vroege heelal gevuld was met ongelooflijk heet quark-gluonplasma. Dit koelde vervolgens microseconden later af om de bouwstenen te vormen van alle materie die in ons universum wordt aangetroffen. Sinds het begin van de jaren 2000 zijn wetenschappers in staat geweest om experimenteel quark-gluon-plasma te recreëren met behulp van grote deeltjesversnellers, die nieuwe inzichten heeft opgeleverd in deze exotische toestand van materie.

Men denkt dat de gewone materie die we dagelijks tegenkomen heel andere eigenschappen heeft dan het quark-gluon-plasma dat in het vroege begin van het heelal werd gevonden. Bijvoorbeeld, vloeistoffen zoals water worden bepaald door het gedrag van atomen en moleculen die veel groter zijn dan de deeltjes in quark-gluonplasma, en worden bijeengehouden door zwakkere krachten.

Echter, de recente studie toont aan dat ondanks deze verschillen de verhouding van viscositeit en dichtheid, bekend als de kinematische viscositeit, is dichtbij in zowel quark-gluonplasma als in gewone vloeistoffen. Deze verhouding is belangrijk omdat de vloeistofstroom niet alleen afhangt van de viscositeit, maar wordt bepaald door de Navier-Stokes-vergelijking die dichtheid en viscositeit bevat. Daarom, als deze verhouding hetzelfde is voor twee verschillende vloeistoffen, zullen deze twee vloeistoffen op dezelfde manier stromen, zelfs als ze zeer verschillende viscositeiten en dichtheden hebben.

belangrijk, het is niet zomaar een vloeibare viscositeit die samenvalt met de viscositeit van quark-gluon plasma. Inderdaad, vloeibare viscositeit kan variëren met vele ordes van grootte, afhankelijk van de temperatuur. Echter, er is een heel specifiek punt waar de vloeibare viscositeit een bijna universele ondergrens heeft. Uit eerder onderzoek bleek dat in die limiet, vloeistofviscositeit wordt bepaald door fundamentele fysische constanten zoals de constante van Planck en de nucleonmassa. Het zijn deze natuurconstanten die uiteindelijk beslissen of een proton een stabiel deeltje is, en regelen processen zoals nucleaire synthese in sterren en de creatie van essentiële biochemische elementen die nodig zijn voor leven. Uit de recente studie bleek dat het deze universele ondergrens van viscositeit van gewone vloeistoffen zoals water is die dicht bij de viscositeit van quark-gluonplasma blijkt te liggen.

Professor Kostya Trachenko, Professor in de natuurkunde aan de Queen Mary University of London en auteur van het recente artikel, zei:"We begrijpen de oorsprong van deze opvallende overeenkomst nog niet helemaal, maar we denken dat het verband kan houden met de fundamentele fysieke constanten die zowel de universele ondergrens van de viscositeit voor zowel gewone vloeistoffen als quark-gluon-plasma bepalen."

"Deze studie biedt een vrij zeldzaam en prachtig voorbeeld van waar we kwantitatieve vergelijkingen kunnen maken tussen enorm ongelijksoortige systemen, " vervolgt professor Matteo Baggioli van de Universidad Autónoma de Madrid. "Vloeistoffen worden beschreven door hydrodynamica, waardoor we met veel open problemen zitten die momenteel in de voorhoede van natuurkundig onderzoek staan. Ons resultaat toont de kracht van de natuurkunde om algemene principes te vertalen in specifieke voorspellingen over complexe eigenschappen zoals vloeistofstroom in exotische soorten materie zoals quark-gluon plasma."

Het begrijpen van quark-gluonplasma en zijn stroom staat momenteel voorop in de hoge-energiefysica. Sterke krachten tussen quarks en gluonen worden beschreven door kwantumchromodynamica, een van de meest uitgebreide natuurkundige theorieën die er bestaan. Hoewel kwantumchromodynamica een theorie van sterke kernkracht biedt, het is erg moeilijk om de eigenschappen van quark-gluon-plasma alleen op te lossen en te begrijpen.

"Het is denkbaar dat het huidige resultaat ons een beter begrip kan geven van het quark-gluon-plasma, " voegde professor Vadim Brazhkin van de Russische Academie van Wetenschappen toe. "De reden is dat de viscositeit in vloeistoffen op hun minimum overeenkomt met een zeer specifiek regime van vloeistofdynamica dat we pas onlangs begrepen. De gelijkenis met de QGP suggereert dat deeltjes in dit exotische systeem op dezelfde manier bewegen als in kraanwater."