I början, universum var en superhet smältdegel som mycket kort serverade en partikelsoppa som liknade en "perfekt, " friktionsfri vätska. Forskare har återskapat denna "soppa, "känd som kvarg-gluon plasma, i kärnkraftskollisioner med hög energi för att bättre förstå vårt universums ursprung och själva materiens natur. Fysiken kan också vara relevant för neutronstjärnor, som är de utomordentligt täta kärnorna av kollapsade stjärnor.

Nu, kraftfulla superdatorsimuleringar av kolliderande atomkärnor, utförd av ett internationellt team av forskare inklusive en Berkeley Lab-fysiker, ge nya insikter om vridningen, bubbelpoolliknande struktur av denna soppa och vad som fungerar inuti den, och visar också en väg till hur experiment kan bekräfta dessa egenskaper. Verket publiceras i 1 november upplagan av Fysiska granskningsbrev .

Materia, dekonstruerade

Denna soppa innehåller de dekonstruerade ingredienserna av materia, nämligen fundamentala partiklar kända som kvarkar och andra partiklar som kallas gluoner som vanligtvis binder kvarkar för att bilda andra partiklar, såsom protoner och neutroner som finns i atomernas kärnor. I detta exotiska plasmatillstånd - som kan nå biljoner grader Fahrenheit, hundratusentals gånger varmare än solens kärna - protoner och neutroner smälter, befria kvarkar och gluoner från sina vanliga begränsningar i atomernas centrum.

Dessa rekordhöga temperaturer har uppnåtts genom att kollidera med guldkärnor vid Brookhaven National Laboratorys RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), till exempel, och blykärnor vid CERN:s LHC (Large Hadron Collider). Experiment vid RHIC upptäckte 2005 att kvarg-gluonplasma beter sig som en vätska. Förutom guldkärnor, RHIC har också använts för att kollidera med protoner, koppar och uran. LHC började genomföra experiment med tunga joner 2014, och har bekräftat att kvarg-gluonplasman beter sig som en vätska.

Det återstår många mysterier om det inre funktionen av detta kortlivade plasmatillstånd, som kanske bara har funnits i miljondelar av en sekund i det nyfödda universum, och kärnfysiker använder en blandning av teori, simuleringar och experiment för att få fram nya detaljer om denna subatomära soppa.

Överraskande komplexitet i plasmastruktur

"I våra sofistikerade simuleringar, vi upptäckte att det finns mycket mer struktur i denna plasma än vi insåg, sa Xin-Nian Wang, en teoretiker vid Nuclear Science Division vid Berkeley Lab som har arbetat i flera år med fysiken för högenergikärnkraftskollisioner.

När det ritas ut i två dimensioner, simuleringarna fann att kollisioner utanför centrum av tunga kärnor producerar en vinglande och expanderande vätska, Wang sa, med lokal rotation som vrids på ett korkskruvsliknande sätt.

Denna korkskruvskaraktär relaterar till egenskaperna hos de kolliderande kärnorna som skapade plasman, som simuleringen visade expanderande längs — och vinkelrätt mot — strålriktningen. Som att snurra ett mynt genom att snärta med det med fingret, simuleringarna visade att rörelsemängdsegenskaperna hos de kolliderande kärnorna kan överföra spinnegenskaper till kvarggluonplasman i form av virvling, ringliknande strukturer som kallas virvlar.

Simuleringarna visade två av dessa munkformade virvlar - var och en med en högerhänt orientering runt varje riktning av de separata strålarna från de kolliderande kärnorna - och även många par motsatt orienterade virvlar längs plasmans längsta dimension. Dessa munkformade egenskaper är analoga med virvlande rökringar och är ett vanligt inslag i klassiska studier av vätskor, ett fält som kallas hydrodynamik.

Simuleringarna avslöjade också ett mönstrat utåtflöde från heta punkter i plasman som liknar ekrarna på ett hjul. Tidsskalan som täcktes i simuleringen var oändligt liten, Wang sa, ungefär hur lång tid det tar för ljus att färdas avståndet mellan 10-20 protoner. Under denna tid exploderar den vinglande vätskan som ett eldklot, spruta partikelsoppan utåt från mitten snabbare än från toppen.

Varje ny förståelse av kvark-gluonplasmaegenskaper borde vara till hjälp för att tolka data från kärnkolliderande experiment, Wang sa, noterar att uppkomsten av flera lokaliserade munkliknande strukturer i simuleringarna var "helt oväntat".

Att reda ut ett mysterium

"Vi kan tänka på detta som att öppna ett helt nytt fönster för att titta på kvarg-gluonplasma, och hur man studerar dem, ", sade han. "Förhoppningsvis kommer detta att ge ytterligare en inkörsport till att förstå varför denna kvarg-gluonvätska är en så perfekt vätska - varför det är så är naturen fortfarande ett pussel. Detta arbete kommer inte bara att gynna teorin, men också experiment."

Simuleringarna ger fler bevis på att kvarg-gluonplasman beter sig som en vätska, och inte en gas som en gång hade teoretiserats. "Det enda sättet du kan beskriva detta är att ha en mycket liten viskositet, "eller knappt någon friktion, en egenskap hos en så kallad 'perfekt vätska' eller 'fundamental vätska, '" sa Wang. Men till skillnad från en välbekant vätska som vatten, simuleringen fokuserar på ett flytande tillstånd hundratals gånger mindre än en vattenmolekyl.

Michael Lisa, en fysikprofessor vid Ohio State University som är en del av samarbetet som stöder Solenoidal Tracker vid RHIC (STAR), sa att den så kallade virvelstrukturen eller "virvelstrukturen" hos denna plasma aldrig har mätts experimentellt, även om detta senaste teoretiska arbete kan hjälpa till att komma in på det. STAR är designat för att studera bildningen och egenskaperna hos kvarg-gluonplasman.

"Wang och hans medarbetare har utvecklat en sofistikerad, toppmodern hydrodynamisk modell av kvarg-gluonplasman och har identifierat virvlande strukturer som varierar i själva vätskan, "Ännu mer användbart är det faktum att de föreslår en metod för att mäta dessa strukturer i laboratoriet."

Lisa sa också att det pågår analysarbete för att bekräfta simuleringens resultat i data från experiment vid RHIC och LHC. "Det är just sådana här innovationer, där teori och experiment samarbetar för att utforska nya fenomen, som har det största hoppet om större insikt i kvarg-gluonplasman, " han sa.

"Många verktyg har använts för att undersöka den inre arbetsmekaniken och symmetriegenskaperna hos denna unika materia, " sa Zhangbu Xu, en talesman för STAR-samarbetet och en stabsforskare vid Brookhaven National Laboratory. Han sa också att preliminära resultat från STAR också tyder på en viss snurrande rörelse i vätskan, och simuleringsarbetet "lägger till en ny dimension" till denna möjlighet.