Kvark-gluonplasma är bland de mest omfattande undersökta ämnena av fysiker på senare tid. Tack vare de största partikelacceleratorerna i drift idag, Large Hadron Collider (LHC) i Europa och Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) i USA, det är nu möjligt att reproducera en kvarg-gluonplasma i laboratoriet. Detta tillstånd av materia tros ha dominerat i universum under en bråkdel av en sekund efter Big Bang.

Enligt den vanliga kosmologiska modellen, varaktigheten av kvarg-gluonplasman i det ursprungliga universum var inte mer än en miljondels sekund, eftersom universum tros ha svalnat cirka 10 ^-6 sekunder efter Big Bang till den grad att kvarkar och gluoner inte längre kunde röra sig fritt utan istället blev instängda i hadroner (protoner, neutroner, mesoner, etc.). I de högenergikärnkraftskollisioner som producerades vid LHC och RHIC, kvarg-gluonplasman varar ännu kortare - ungefär 10 ^-23 sekunder – på grund av branta tryckgradienter. Trots deras förgänglighet och liten volym (diametern på en proton är i storleksordningen 10 ^-15 m), kvarg-gluonplasma döljer intensiv och komplex inre aktivitet.

Denna aktivitet avslöjas gradvis i LHC- och RHIC-experiment, och nya teoretiska metoder har utvecklats för att förklara eller förutsäga deras resultat. Ett exempel, bland många andra, är studien med titeln "Hydrodynamiska förutsägelser för blandade harmoniska korrelationer i 200 GeV Au+Au-kollisioner, " publicerad i Fysisk granskning C och markeras som ett redaktörsförslag.

Studien utfördes av Fernando Gardim från Science &Technology Institute vid Federal University of Alfenas, Minas Gerais State (sydöstra Brasilien); Frédérique Grassi och Matthew Luzum från Physics Institute vid University of São Paulo (USP); och Jacquelyn Noronha-Hostler från institutionen för fysik vid University of Houston.

"På grund av dess mycket korta varaktighet, en kvarg-gluonplasma kan inte observeras direkt, ", sade Grassi. "Experimenten kan upptäcka de hadroner som bildas när kvarkar och gluoner rekombinerar. Dessa hadroner fortplantar sig i flera riktningar. Deras vinkelfördelning runt kollisionsaxeln ger mycket relevant information om plasmans struktur och dynamik och, följaktligen, om naturen hos grundläggande interaktioner i materien. Vår studie, vilket var teoretiskt, ut på att förutsäga specifika mönster i hadronernas vinkelfördelning."

Forskarna använde en hydrodynamisk modell som heter NeXSPheRIO, som exakt återgav ett brett spektrum av data som erhölls experimentellt vid RHIC. De datorsimuleringar som gjordes på denna grund gjorde det möjligt för forskarna att göra förutsägelser som kan testas i nya experiment så att modellen kan valideras eller korrigeras.

"Vinkelfördelningen som observerades i experimenten sönderdelas i en sekvens känd inom matematiken som en Fourier-serie, Grassi förklarade. "Varje term i serien motsvarar en specifik egenskap hos distributionen, och serien som helhet berättar hur många partiklar som rör sig enligt varje mönster. Frasen "blandade harmoniska korrelationer" som används i titeln är den tekniska termen som benämner korrelationerna mellan olika Fourierkoefficienter.

"Om en kvarg-gluonplasma var strikt homogen och hade egenskaperna hos en gas - om dess partiklar interagerar väldigt lite - så skulle det resulterande flödet av hadroner vara isotropt [lika i alla riktningar]. Men så är inte fallet. Faktiska flöden detekterade experimentellt är anisotropa, och vinkelfördelningen uppvisar icke-noll Fourier-koefficienter, som talar om för oss att plasman inte är homogen och att dess partiklar interagerar starkt."

Fördelningskoefficienterna klassificeras enligt deras geometriska egenskaper som elliptiska, triangulär, fyrkantig, femsidig, etc. Det dominerande flödet är elliptiskt, eftersom hadronstrålen är mycket starkare i en av riktningarna ortogonalt mot kollisionsaxeln. Denna distribution, som är ett resultat av den starka interaktionen mellan kvarkar och gluoner, indikerar att plasman inte är en gas utan en vätska. Dock, det är inte vilken vätska som helst. Det faktum att det elliptiska flödet inte är dämpat visar att viskositeten hos denna vätska är extremt låg. Faktiskt, en kvarg-gluonplasma är den minst trögflytande – eller mest perfekta – vätska som någonsin upptäckts.

"Tidigare forskning hade redan visat att en kvarg-gluonplasma är en kvasi-perfekt vätska. Vad vår studie lade till var en bättre förståelse av icke-homogeniteten i energifördelningen inuti plasman, " förklarade Grassi. Med sin mycket korta varaktighet och minutmått, en kvarg-gluon plasma är mycket dynamisk. Fluktuationer gör att dess energitäthet varierar från en region till en annan. Studien ger en djupare insikt i sambandet mellan dessa dynamik och fluktuationer.

"Eftersom NeXSPheRIO hittills har kommit överens väl med alla observationer som gjorts hittills vid RHIC, vi tror att dess förutsägelser kan användas som en jämförelsegrund för nya mätningar som ska göras vid den amerikanska kollideren, "Sade Grassi. "Alla avvikelser från förutsägelserna kommer att ge värdefull icke-trivial information, antingen om den inledande fasen av kollisionen som ger upphov till plasman eller om mediets inneboende egenskaper."