Изучение идеальной жидкости
Комбинируя данные от двух высокоэнергетических акселераторов, физики-ядерщики усовершенствовали измерение замечательных свойств экзотической материи, известной как кварк-глюонная плазма. Результаты раскрывают новые аспекты ультрагорячей «идеальной жидкости», которые дают ключ к разгадке состояния молодой Вселенной, спустя микросекунды после Большого взрыва.
«Мы сделали, безусловно, самое точное извлечение ключевого свойства кварк-глюонной плазмы, которое раскрывает микроскопическую структуру этой почти идеальной жидкости», — говорит Синь-Нянь Ван, физик в Отделе ядерных исследований при Лаборатории Беркли. Как объясняет Ван, совершенные жидкости имеют самое низкое отношение вязкости к плотности, которое означает, что они по существу текут без трения.
Горячий плазменный суп
Для создания и изучения кварк-глюонной плазмы физики-ядерщики использовали ускоритель частиц, называемый релятивистским коллайдером тяжелых ионов, в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и большой адронный коллайдер в ЦЕРНе в Швейцарии. Ускоряя тяжелые атомные ядра до высоких энергий и взрывая их друг об друга, ученые могут воссоздать горячие температурные условия ранней Вселенной.
Внутри протонов и нейтронов, которые составляют сталкивающиеся атомные ядра, лежат элементарные частицы, называемые кварки, которые плотно связаны с другими элементарными частицами, называемыми глюоны. Только в экстремальных условиях, таких как столкновения, при которых температура превышает в миллионы раз температуру в центре Солнца, кварки и глюоны разделяются, становясь ультрагорячей, лишенной трения идеальной жидкостью, известный как кварк-глюонная плазма.
«Температура настолько высока, что границы между различными ядрами исчезают, и все становится похожим на горячий плазменный суп из кварков и глюонов», — говорит Ван. Этот ультрагорячий суп содержится в камере ускорителя частиц, но недолго, быстрое охлаждение и расширение затрудняют его измерения. Экспериментаторы разработали сложные инструменты для преодоления этой проблемы, но перевод экспериментальных наблюдений в точное количественное понимание кварк-глюонной плазмы до сих пор трудноосуществим.
Взгляд изнутри
«Когда генерируется горячая кварк-глюонная плазма, иногда также производятся очень энергичные частицы с энергией в тысячу раз больше, чем у остальной части материи», — говорит Ван. Эта струя проходит через плазму, рассеивается и теряет энергию на своем пути.
Поскольку исследователи знают энергию струи, когда она производится, и могут измерить ее энергию на выходе, они могут вычислить энергетическую потерю, которая дает представление о плотности плазмы и силе ее взаимодействия со струей.
Одна из трудностей в использовании струи как рентгена, заключается в том, что кварк-глюонная плазма является быстро растущим огненным шаром. «Вы создаете этот горячий огненный шар, который расширяет очень быстро, так как охлаждается быстро до обычной материи», — говорит Ван. Поэтому важно разработать модель, точно описывающую расширение плазмы. Модель должна опираться на раздел теории, называемой релятивистской гидродинамикой, в которой движение жидкостей описывается уравнениями из эйнштейновской теории относительности.
За последние несколько лет исследователи разработали такую ??модель, которая может описать процесс расширения и наблюдаемые явления ультрагорячей идеальной жидкости.
Ученые определили одно особое свойство кварк-глюонной плазмы, называемое реактивным транспортным коэффициентом, который характеризует силу взаимодействия между струей и ультрагорячей материей. «Определенные значения реактивного транспортного коэффициента могут помочь пролить свет на то, почему ультрагорячая материя является самой идеальной жидкостью во Вселенной», — говорит Ван.