Partikelkollisioner som återskapar kvark-gluonplasma (QGP) som fyllde det tidiga universum avslöjar att droppar av denna ursoppa virvlar mycket snabbare än någon annan vätska. Den nya analysen av data från Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - en US Department of Energy Office of Science User Facility för kärnfysikforskning vid Brookhaven National Laboratory - visar att "virvlingen" i QGP överträffar den virvlande vätskedynamiken hos super -cellstornadokärnor och Jupiters stora röda fläck i många storleksordningar, och slår till och med det snabbaste spinnrekordet som innehas av nanodroppar av superfluid helium.

Resultaten, just publicerat i Natur , lägg till ett nytt rekord i listan över anmärkningsvärda egenskaper som tillskrivs kvark-gluonplasma. Denna soppa gjord av materiens grundläggande byggstenar - kvarker och gluoner - har en temperatur hundratusentals gånger varmare än solens mittpunkt och en ultralåg viskositet, eller motstånd mot flöde, ledande fysiker att beskriva det som "nästan perfekt". Genom att studera dessa egenskaper och de faktorer som styr dem, forskare hoppas kunna låsa upp hemligheterna bakom den starkaste och mest dåligt förstådda kraften i naturen - den som är ansvarig för att binda kvarkar och gluoner till de protoner och neutroner som utgör det mesta av den synliga materien i universum idag.

Specifikt, resultaten på virvel, eller virvlande rörelse, kommer att hjälpa forskare att sortera mellan olika teoretiska beskrivningar av plasma. Och med mer data, det kan ge dem ett sätt att mäta styrkan hos plasmas magnetfält - en väsentlig variabel för att utforska andra intressanta fysikfenomen.

"Ända tills nu, den stora historien med att karakterisera QGP är att det är en het vätska som expanderar explosivt och flyter lätt, sa Michael Lisa, en fysiker från Ohio State University (OSU) och medlem i RHIC:s STAR -samarbete. "Men vi vill förstå denna vätska på en mycket finare nivå. Termaliserar den, eller nå jämvikt, tillräckligt snabbt för att bilda virvlar i själva vätskan? Och i så fall, hur reagerar vätskan på den extrema virveln? "Den nya analysen, som leddes av Lisa och OSU doktorand Isaac Upsal, ger STAR ett sätt att komma till de finare detaljerna.

Justera snurr

"Teorin är att om jag har en vätska med vorticitet - en virvlande understruktur - tenderar den att anpassa spinnet av partiklarna som det avger i samma riktning som virvlarna, "Sa Lisa. Och medan det kan finnas många små bubbelpooler inom QGP som alla pekar i slumpmässiga riktningar, i snitt bör deras snurr anpassas till det som kallas systemets vinkelmoment - en rotation av systemet som genereras av de kolliderande partiklarna när de rusar förbi varandra med nästan ljusets hastighet.

För att spåra de snurrande partiklarna och vinkelmomentet, STAR -fysiker korrelerade samtidiga mätningar vid två olika detektorkomponenter. Den första, känd som Beam-Beam Counters, sitta längst fram och bak på STAR-detektorn i husstorlek, fånga subtila avböjningar i kolliderande partiklarnas banor när de passerar förbi varandra. Avböjningens storlek och riktning berättar för fysikerna hur mycket vinkelmoment det finns och åt vilket håll det pekar för varje kollisionshändelse.

Under tiden, STAR's Time Project Chamber, en gasfylld kammare som omger kollisionszonen, spårar hundratals eller till och med tusentals partiklar som kommer ut vinkelrätt mot mitten av kollisionerna.

"Vi letar specifikt efter tecken på lambdahyperoner, snurrande partiklar som förfaller till en proton och en pion som vi mäter i tidsprojektionskammaren, "sade Ernst Sichtermann, en biträdande STAR -talesperson och seniorforskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory. Eftersom protonen kommer ut nästan i linje med hyperonens spinnriktning, spårning där dessa "dotter" -protoner träffar detektorn kan vara en stand-in för att spåra hur hyperonernas snurr är inriktade.

"Vi letar efter några systematiska preferenser för riktningen för dessa dotterprotoner i linje med vinkelmomentet vi mäter i Beam-Beam Counters, "Sa Upsal. "Omfattningen av den preferensen berättar för oss graden av virvel - den genomsnittliga virvlingshastigheten - av QGP."

Supersnurr

Resultaten visar att RHIC -kollisioner skapar den mest virvelvätska någonsin, en QGP som snurrar snabbare än en tornado som rusar, mer kraftfull än den snabbaste spinnande vätskan på rekord. "Så den mest idealiska vätskan med den minsta viskositeten har också mest virvel, "Sa Lisa.

Det här är vettigt, eftersom låg viskositet i QGP gör att virveln fortsätter, sa Lisa. "Viskositet förstör virvlar. Med QGP, om du låter det snurra, det tenderar att fortsätta snurra."

Uppgifterna är också i kulissen av vad olika teorier förutspådde för QGP -virvel. "Olika teorier förutsäger olika mängder, beroende på vilka parametrar de innehåller, så våra resultat hjälper oss att sortera igenom dessa teorier och avgöra vilka faktorer som är mest relevanta, sa Sergej Voloshin, en STAR-samarbetspartner från Wayne State University. "Men de flesta av de teoretiska förutsägelserna var för låga, "tillade han." Våra mätningar visar att QGP är ännu mer vortikal än förutspått. "

Denna upptäckt gjordes under Beam Energy Scan-programmet, som utnyttjar RHIC:s unika förmåga att systematiskt variera energin från kollisioner över ett område där andra särskilt intressanta fenomen har observerats. Faktiskt, teorier tyder på att detta kan vara det optimala intervallet för upptäckten och efterföljande studier av vorticitetsinducerad spinnjustering, eftersom effekten förväntas minska vid högre energi.

Att öka antalet Lambda -hyperoner som spåras i framtida kollisioner vid RHIC kommer att förbättra STAR -forskarnas förmåga att använda dessa mätningar för att beräkna styrkan hos magnetfältet som genereras i RHIC -kollisioner. Magnetismens styrka påverkar rörelsen av laddade partiklar när de skapas och dyker upp från RHIC-kollisioner, så att mäta dess styrka är viktigt för att fullt ut karakterisera QGP, inklusive hur den separerar olika laddade partiklar.

"Teori förutspår att magnetfältet som skapas vid tungjonsexperiment är mycket högre än något annat magnetfält i universum, sa Lisa. Åtminstone, att kunna mäta det exakt kan få ytterligare ett rekord för QGP.