Wetenschappers hebben nieuwe aanwijzingen gerapporteerd voor het oplossen van een kosmisch raadsel:hoe het quark-gluon-plasma - de perfecte vloeistof van de natuur - tot materie evolueerde.

Een paar miljoenste van een seconde na de oerknal, het vroege heelal nam een ​​vreemde nieuwe staat aan:een subatomaire soep die het quark-gluonplasma wordt genoemd.

En nog maar 15 jaar geleden, een internationaal team met onderzoekers van de Relativistic Nuclear Collisions (RNC)-groep van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ontdekte dat dit quark-gluonplasma een perfecte vloeistof is - waarin quarks en gluonen, de bouwstenen van protonen en neutronen, zijn zo sterk gekoppeld dat ze bijna wrijvingsloos vloeien.

Wetenschappers veronderstelden dat zeer energetische deeltjesstralen door het quark-gluonplasma vliegen - een druppel ter grootte van een atoomkern - met snelheden die hoger zijn dan de snelheid van het geluid, en dat als een snel vliegende jet, een supersonische knal uitzenden, een Mach-golf genaamd. Om de eigenschappen van deze straaldeeltjes te bestuderen, in 2014 pionierde een team onder leiding van Berkeley Lab-wetenschappers met een atomaire röntgenbeeldvormingstechniek die jettomografie wordt genoemd. De resultaten van die baanbrekende studies onthulden dat deze jets verstrooien en energie verliezen terwijl ze zich voortplanten door het quark-gluon-plasma.

Maar waar begon de reis van de straaldeeltjes in het quark-gluon-plasma? Een kleiner Mach-golfsignaal, het diffusie-zog genaamd, wetenschappers voorspelden, zou je vertellen waar je moet zoeken. Maar hoewel het energieverlies gemakkelijk waar te nemen was, de Mach-golf en het bijbehorende diffusie-zog bleven ongrijpbaar.

Nutsvoorzieningen, in een onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven , de Berkeley Lab-wetenschappers rapporteren nieuwe resultaten van modelsimulaties die aantonen dat een andere techniek die ze hebben uitgevonden, de zogenaamde 2D-jettomografie, onderzoekers kan helpen het spookachtige signaal van de diffusiekielzog te lokaliseren.

"Het signaal is zo klein, het is zoeken naar een speld in een hooiberg van 10, 000 deeltjes. Voor de eerste keer, onze simulaties laten zien dat je 2D-jettomografie kunt gebruiken om de kleine signalen van het diffusiekielzog op te pikken in het quark-gluonplasma, " zei studieleider Xin-Nian Wang, een senior wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab die deel uitmaakte van het internationale team dat de 2D-jettomografietechniek uitvond.

Om die supersonische naald in de quark-gluon hooiberg te vinden, het Berkeley Lab-team heeft honderdduizenden lood-kernbotsingsgebeurtenissen gesimuleerd bij de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, en goud-kernbotsingsgebeurtenissen bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven National Laboratory. Sommige computersimulaties voor het huidige onderzoek zijn uitgevoerd in de NERSC-supercomputergebruikersfaciliteit van Berkeley Lab.

Wang zegt dat hun unieke aanpak "je zal helpen al dit hooi in je stapel kwijt te raken - je helpen je op deze naald te concentreren." Het supersonische signaal van de straaldeeltjes heeft een unieke vorm die eruitziet als een kegel - met een diffusie-kielzog erachter, als rimpelingen van water in het kielzog van een snel varende boot. Wetenschappers hebben gezocht naar bewijs voor deze supersonische "wakelet" omdat het je vertelt dat er een uitputting van deeltjes is. Zodra het diffusiekielzog zich in het quark-gluonplasma bevindt, je kunt het signaal onderscheiden van de andere deeltjes op de achtergrond.

Hun werk zal experimentele onderzoekers van de LHC en RHIC ook helpen te begrijpen naar welke signalen ze moeten zoeken in hun zoektocht om te begrijpen hoe het quark-gluon-plasma - de perfecte vloeistof van de natuur - tot materie is geëvolueerd. "Waar zijn we van gemaakt? Hoe zag het baby-universum eruit in de paar microseconden na de oerknal? Dit is nog steeds een werk in uitvoering, maar onze simulaties van de lang gezochte diffusie-wake brengen ons dichter bij het beantwoorden van deze vragen, " hij zei.