Science >> Wetenschap >  >> Fysica

CERN-onderzoekers meten de geluidssnelheid in het quark-gluonplasma nauwkeuriger dan ooit tevoren

Conceptuele weergave van temperatuur versus entropiedichtheid van middencentrale tot ultracentrale botsingen met zware ionen. Krediet:arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.06896

Neutronensterren in het heelal, ultrakoude atoomgassen in het laboratorium en het quark-gluon-plasma dat ontstaat bij botsingen van atoomkernen bij de Large Hadron Collider (LHC):ze lijken misschien totaal niets met elkaar te maken te hebben, maar verrassend genoeg hebben ze iets gemeen. Ze zijn allemaal een vloeistofachtige toestand van materie die bestaat uit sterk op elkaar inwerkende deeltjes. Inzichten in de eigenschappen en het gedrag van deze bijna perfecte vloeistoffen kunnen van cruciaal belang zijn voor het begrijpen van de natuur op schaalniveaus die ordes van grootte uit elkaar liggen.

In een nieuw artikel rapporteert de CMS-samenwerking de meest nauwkeurige meting tot nu toe van de snelheid waarmee geluid zich voortplant in het quark-gluon-plasma, wat nieuwe inzichten biedt in deze extreem hete toestand van materie.

Geluid is een longitudinale golf die door een medium reist en compressies en verdunningen van materie veroorzaakt in dezelfde richting als de beweging ervan. De geluidssnelheid hangt af van de eigenschappen van het medium, zoals de dichtheid en viscositeit. Het kan daarom worden gebruikt als een sonde van het medium.

Bij de LHC wordt het quark-gluon-plasma gevormd bij botsingen tussen zware ionen. Bij deze botsingen wordt gedurende een zeer kleine fractie van een seconde een enorme hoeveelheid energie afgezet in een volume waarvan de maximale grootte die van de kern van een atoom is. Quarks en gluonen die uit de botsing tevoorschijn komen, bewegen zich vrijelijk binnen dit gebied en zorgen voor een vloeistofachtige toestand van materie waarvan de collectieve dynamiek en macroscopische eigenschappen goed worden beschreven door de theorie.

Illustratie van het quark-gluon-plasma dat wordt gevormd bij botsingen tussen zware ionen. Credit:CERN

De snelheid van het geluid in deze omgeving kan worden verkregen uit de snelheid waarmee de druk verandert als reactie op variaties in de energiedichtheid of, als alternatief, uit de snelheid waarmee de temperatuur verandert als reactie op variaties in de entropie, wat een maatstaf is voor de wanorde in een omgeving. systeem.

Bij botsingen met zware ionen kan de entropie worden afgeleid uit het aantal elektrisch geladen deeltjes dat door de botsingen wordt uitgezonden. De temperatuur daarentegen kan worden afgeleid uit het gemiddelde transversale momentum (d.w.z. het momentum dwars op de botsas) van die deeltjes.

Met behulp van gegevens van lood-loodbotsingen bij een energie van 5,02 biljoen elektronvolt per paar nucleonen (protonen of neutronen) heeft de CMS-samenwerking voor het eerst gemeten hoe de temperatuur varieert met de entropie bij centrale botsingen met zware ionen, waarbij de ionen botsen frontaal en overlappen elkaar bijna volledig.

Uit deze meting hebben ze een waarde voor de geluidssnelheid in dit medium verkregen die bijna de helft van de lichtsnelheid bedraagt ​​en een recordprecisie heeft:in eenheden van de lichtsnelheid is de kwadratische geluidssnelheid 0,241, met een statistische onzekerheid. van 0,002 en een systematische onzekerheid van 0,016. Met behulp van het gemiddelde transversale momentum bepaalden ze ook dat de effectieve temperatuur van het quark-gluonplasma 219 miljoen elektronvolt (MeV) bedroeg, met een systematische onzekerheid van 8 MeV.

De resultaten komen overeen met de theoretische verwachting en bevestigen dat het quark-gluonplasma werkt als een vloeistof gemaakt van deeltjes die enorme hoeveelheden energie bevatten.

Het artikel is gepubliceerd op de arXiv preprint-server.

Meer informatie: Door de geluidssnelheid te extraheren in de sterk op elkaar inwerkende materie die ontstaat bij ultrarelativistische lead-lead-botsingen bij de LHC, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.06896

Journaalinformatie: arXiv

Geleverd door CERN




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hebben alle cellen mitochondriën?
  2. Groeiende weefsels beschrijven in de taal van de thermodynamica
  3. Wat is de laatste gemeenschappelijke voorouder?
  4. Video:Op weg naar nul honger wereldwijd
  5. Vloeistofdruppeltjes bepalen hoe cellen reageren op verandering, blijkt uit onderzoek
  6. Vliegen ontwikkelen springen zonder poten
  7. Vissen kunnen ander gedrag gebruiken om zich tegen parasieten te beschermen
  8. De controversiële handel in bushmeat herkaderen:wie bepaalt welke voedingsmiddelen geschikt zijn voor consumptie?
  9. Ter verdediging van kamsalamanders - waarom deze ongrijpbare amfibieën de moeite waard zijn?

Wetenschap