Rozbijając cząstki razem, fizycy mogli stworzyć najmniejszą kroplę płynu we wszechświecie - koralik wielkości protonu gorącej, pierwotnej zupy.
Ta zupa cząsteczkowa to plazma kwarkowo-gluonowa, płyn, który wypełnił kosmos podczas pierwszych mikrosekund po Wielkim Wybuchu. Ma tryliony stopni i prawie bez żadnego tarcia wiruje z prędkością bliską prędkości światła.
„To najbardziej ekstremalny płyn, jaki znamy” - powiedziała Jacquelyn Noronha-Hostler, fizyk teoretyczny z Rutgers University w New Jersey.
Fizycy zderzyli cząstki, aby stworzyć tę pierwotną zupę, a niektóre eksperymenty sugerują, że niektóre zderzenia wytwarzają kropelki tak małe jak protony. W nowym artykule opublikowanym 10 grudnia w czasopiśmie Nature Physics, fizycy z Pionierskiego Eksperymentu Wysokich Energii Nuklearnych (PHENIX) podali, co może być najbardziej przekonującym dowodem na to, że takie kropelki mogą być tak małe.
„Naprawdę zmusza nas do ponownego przemyślenia naszego zrozumienia interakcji i warunków tego rodzaju przepływu kropel” - powiedział Jamie Nagle, fizyk z University of Colorado Boulder, który analizował dane z ostatnich eksperymentów. Wyniki mogą pomóc fizykom w lepszym zrozumieniu plazmy kwarkowo-gluonowej wczesnego wszechświata i natury płynów.
„Oznacza to, że musimy przepisać naszą wiedzę o tym, co to znaczy być płynem” - powiedział Live Science Noronha-Hostler, który nie był częścią nowych eksperymentów.
Eksperymenty przeprowadzono w Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) w Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku, gdzie fizycy stworzyli pierwszą plazmę kwarkowo-gluonową w 2005 r., Łącząc razem jądra atomowe. Kwark jest podstawową cząsteczką, która tworzy protony i neutrony, które z kolei tworzą jądra atomowe. Gluony to cząstki przenoszące siłę, które utrzymują kwarki razem w protonie lub neutronie za pomocą silnej siły, jednej z podstawowych sił natury.
Noronha-Hostler powiedział, że fizycy wcześniej zakładali, że kropelki plazmy kwarkowo-gluonowej muszą być stosunkowo duże. Myślenie potoczyło się, aby kropla przepływała jak płyn, obiekt musiał być znacznie większy niż cząsteczki składowe. Na przykład typowa kropla wody jest znacznie większa niż własne cząsteczki wody. Z drugiej strony niewielka grupa, powiedzmy, trzech lub czterech pojedynczych cząsteczek wody nie zachowałaby się jak ciecz, jak sądzili naukowcy.
Aby więc kropelki plazmy kwarkowo-gluonowej były tak duże, jak to możliwe, fizycy z RHIC zatrzasnęli razem duże jądra atomowe, takie jak złoto, które wytwarzają krople o podobnej wielkości - około 10 razy większe niż proton. Ale fizycy odkryli, że zderzając mniejsze cząstki, nieoczekiwanie wykryli ślady kropelek płynu wielkości protonu - na przykład podczas zderzeń protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą.
Aby dowiedzieć się, czy te maleńkie kropelki mogą istnieć, fizycy prowadzący detektor PHENIX w protonach RHIC wystrzelili; jądra deuteronu, z których każdy zawiera proton i neutron; i jądra helu-3 w jądrach złota. Naukowcy doszli do wniosku, że gdyby zderzenia te tworzyły płynne krople plazmy kwarkowo-gluonowej, miałyby one różne kształty w zależności od uderzenia jąder złota. Uderzenie w proton stworzyłoby okrągłą kroplę; deuteron wytworzyłby eliptyczną kroplę, a hel-3 zrobiłby trójkątną kroplę.
Taka kropla żyłaby zaledwie 100 miliardowych części sekundy, zanim intensywne ciepło spowodowałoby, że kropla rozszerzy się tak szybko, że eksploduje we wichrze innych cząstek.
Mierząc resztki cząstek, naukowcy odtworzyli pierwotną kroplę. Szukali eliptycznych i trójkątnych kształtów w każdym z trzech rodzajów zderzeń, dokonując sześciu całkowitych pomiarów. Eksperymenty trwały kilka lat, a ostatecznie badacze wykryli charakterystyczne kształty, co sugeruje, że zderzenia doprowadziły do powstania kropel wielkości protonu.
„Przy pełnym zestawie sześciu pomiarów trudno jest znaleźć inne wyjaśnienie, z wyjątkiem obrazu kropli”, powiedział Nagle dla Live Science.
Choć wyniki są przekonujące, Noronha-Hostler powiedziała, że nie jest jeszcze całkowicie pewna. Naukowcy nadal potrzebują lepszych pomiarów dżetów, które wybuchają w wyniku zderzeń cząstek. Gdyby powstały maleńkie kropelki płynu, uderzenia między złotymi jądrami a protonami, deuteronami lub heilum-3 powinny wytworzyć cząsteczki o dużej prędkości, które formowały dżety, które następnie przebiłyby się przez nowo utworzone kropelki kwarkowo-gluonowe. Gdy strumień śmigał przez płyn, straciłby energię i zwolniłby jak kula przelatująca przez wodę.
Ale jak dotąd pomiary pokazują, że dżety nie straciły tyle energii, ile przewidywano. Noronha-Hostler powiedział, że przyszłe eksperymenty, takie jak ulepszona wersja PHENIX, która ma zostać uruchomiona w 2023 r., Powinny pomóc fizykom lepiej zrozumieć, co się dzieje - i ustalić na pewno, czy takie małe kropelki mogą istnieć.
