Kollisioner av blykärnor i Large Hadron Collider (LHC) sker vid så stora energier att kvarker som normalt är begränsade inuti nukleoner frigörs och, tillsammans med gluonerna som håller ihop dem, bilda en exotisk kvark-gluonplasma. En ny, mer detaljerad teoretisk modell för denna plasma, presenterad av en grupp fysiker från Polen och USA, förutspår att den har en mycket lägre viskositet än tidigare beräknat.

Vår vardag består huvudsakligen av protoner och neutroner, var och en innehåller tre kvarkar som hålls samman av starka interaktioner som förmedlas av bärare som kallas gluoner. I motsats till gravitationen, som verkar svagare på avstånd, starka interaktioner mellan kvarkar ökar med större avstånd. Kvarkar beter sig som om de var kopplade till fjädrar - ju längre du separerar dem, desto hårdare försöker de hålla kontakten. Dock, energierna hos partiklar som accelereras inuti LHC är så höga att, vid kollisioner, kvarker frigörs från protoner. Kvark-gluonplasma produceras under en kort tid-den mest exotiska vätska som någonsin undersökts i laboratorier. Tills nyligen, fysiker trodde att det var ganska trögflytande. En annan slutsats har framkommit från analyser av forskare från Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow och Kent State University i Kent (Ohio, USA).

"Inom fysiken, flöden beskrivs med användning av hydrodynamiska ekvationer. När du använder de enklaste versionerna av dessa för kvark-gluonplasmautveckling, förutsägelserna är ganska förenliga med LHC -kollisionsmätningar. Vid första ögonkastet, kvark- och gluonsoppan verkar verkligen bete sig enligt enkla förväntningar. Dock, när vi börjar titta noga, det blir snabbt uppenbart att vi har att göra med ett mycket komplext fenomen, "säger Dr Radoslaw Ryblewski (IFJ PAN).

Den matematiska beskrivningen av vätska förutsätter att vätskan är perfekt, dvs utan viskositet. Eftersom det inte finns några perfekta vätskor i naturen, olika korrigeringar införs för att förbättra noggrannheten hos hydrodynamiska ekvationer. Dock, de resulterande varianterna av viskös vätskehydrodynamik är baserade på ytterligare antaganden - till exempel att tryck i vätska förändras på samma sätt i alla riktningar.

"Problemet är att kvark-gluonplasma i LHC produceras på ett mycket specifikt sätt, som ett resultat av kollisioner av blykärnor som närmar sig längs en riktning med hastigheter nära ljusets hastighet. Som ett resultat, vätskan som bildas av kvarker och gluoner rör sig initialt längs strålens riktning, och först då börjar det svalna och späda ut åt alla håll, "förklarar Dr Ryblewski." När du skapar en modell, utmaningens omfattning ökar ännu mer när vi försöker ta hänsyn till det faktum att i början av processen, vätskan är annorlunda än i slutet - sedan efter kylning, kvarkerna börjar gradvis hålla ihop igen. Så, tillsammans med professor Wojciech Florkowski, vi började utveckla en mer detaljerad modell av fenomenet:anisotrop hydrodynamik, byggt på antagandet att systemet inte beter sig på samma sätt i alla riktningar. "

Den senaste teoretiska modellen, konstruerad på basis av anisotrop hydrodynamik, har just presenterats i Fysiska granskningsbrev . En av dess mest intressanta slutsatser gäller viskositeten hos kvark-gluonplasma. Denna viskositet visar sig vara sex gånger mindre än de numeriska förutsägelserna för andra modeller baserat på hydrodynamiken hos viskös vätska.

Till skillnad från de tidigare ekvationerna, i vissa fall, de nya kan lösas med praktiskt taget vilken noggrannhet som helst. Genom att kombinera deras förutsägelser med data från andra modeller och upprepade gånger jämföra dem med faktiska mätningar i ALICE -experimentet vid LHC, det polsk-amerikanska teamet har visat att anisotrop hydrodynamik för närvarande är den mest exakta beskrivningen av de fenomen som förekommer i kvark-gluonplasma.