Kvark-gluonplasma bildas som ett resultat av högenergikollisioner av tunga joner. Efter en kollision, under ett dussin joctosekunder (10 ^-24 sekunder), denna mest perfekta av alla kända vätskor genomgår snabb hydrodynamisk expansion med hastigheter nära ljusets hastighet. Ett internationellt team av forskare, associerad med IFJ PAN och GSI Center, har presenterat en ny modell som beskriver dessa extrema flöden. För första gången, effekter som härrör från partiklarnas kvantrotation beaktas.

Varje proton och varje neutron består av flera kvarker bundna av starka interaktioner som bärs av mellanliggande partiklar som kallas gluoner. När tunga joner byggda av protoner och neutroner med nära ljusets hastighet kolliderar med varandra, de förstörs vanligtvis, förvandlas till en exotisk kvark-gluonplasma. På grund av sin försumbara viskositet, denna plasma anses vara den mest perfekta vätskan i universum. Nya experimentella mätningar, dock, tyder på att partiklarna som lämnar plasman uppvisar icke -lokalt arrangemang av sina rotationsriktningar. För att förklara dessa resultat, en grupp forskare från Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow och GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt (Tyskland) har presenterat en ny modell för relativistiska flöden av kvark-gluonplasma, med hänsyn till de fenomen som uppstår från kvantspinnet hos partiklarna som bildar den.

I ungefär tio mikrosekunder efter Big Bang, kvark-gluonplasma fyllde hela universum. Dock, det svalnade snabbt och gluoner stack ihop kvarkerna i grupper - de partiklar som vår värld är byggd av. Som ett resultat, kvark-gluonvätska kan idag endast ses som effekten av högenergikollisioner av tunga joner (och, eventuellt, även av mindre kolliderande system bestående av protoner och joner). Kollisioner av denna typ genomförs för närvarande i bara några få acceleratorcentra i världen.

Flödet av vätskor och gaser hanteras i hydrodynamik, ett område som har utvecklats i århundraden. Efter uppkomsten av relativitetsteorin, klassisk hydrodynamik utökades av relativistiska fenomen, uppstår när vätska flyter med hastigheter nära ljusets hastighet. Efter att kvantteorin föddes, hydrodynamiken utökades genom beskrivningar av flödet av partiklar med spinn.

Spinn är en egenskap hos elementära partiklar som är associerade med egenskaperna hos deras vågfunktioner i förhållande till rotation. Det kan bara anta diskreta värden, t.ex. 0, 1/2, 1, 3/2, etc. Spinnriktningen för partiklar med spinn 1/2 kan vara lika med +1/2 eller -1/2 med avseende på vilken axel som helst. Polarisationen utan noll av partiklar med spinn 1/2 innebär att det är mer troligt att de producerade partiklarna tar en rotationsriktning (+1/2 eller -1/2).

"Hydrodynamik är ett utmärkt verktyg för att beskriva många fysiska fenomen. Vi har utvidgat dess tillämpningsområde. Vi är de första som presenterar en sammanhängande beskrivning av relativistiska partikelflöden med spinn 1/2, "förklarar professor Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMMI), som i samarbete med gruppen av prof. Bengt Friman (GSI) har utvecklat en ny flödesmodell.

Arbetet med modellen för relativistiska flöden med spinn inspirerades av de senaste mätningarna av polarisering av spinn av partiklar som kallas Lambda -hyperoner (dessa är konglomerat av tre kvarkar:upp, nedåt och konstigt, med ett totalt snurr på 1/2), registreras i kraftiga jon-kollisioner. Fysiker har länge experimenterat med att försöka bättre förstå polariseringen av Lambda -hyperoner. Mätningarna, dock, var föremål för stor osäkerhet. Nyligen, i experiment som utförts vid Brookhaven National Laboratory i New York, det visades att snurrarna på Lambda -hyperonerna bildades vid kollisioner av tunga kärnor som är polariserade.

Det har länge varit känt att ett kvantobjekts snurr bidrar till dess totala fart. Till exempel, i ferromagnetiska material, Einstein-de Haas-effekten kan observeras. När ett opolariserat system placeras i ett magnetfält, partiklarnas snurr börjar orientera enligt magnetfältet, vilket innebär att för att bibehålla den totala vinkelmomentet, systemet måste börja rotera. Observation av polariseringen av Lambda-hyperonerna som bildas som ett resultat av kvark-gluonplasmatransformationer indikerar således den svåra att ignorera spin-roll i utformningen av flödet av denna plasma.

Modellen som presenteras av gruppen fysiker från IFJ PAN och GSI är en generalisering av hydrodynamiken hos perfekt vätska. Eftersom det finns snurr i de beskrivna systemen, principen om vinkelmomentskydd bör ha inkluderats i den teoretiska beskrivningen.

"Precis som temperaturen är förknippad med principen om energibesparing, hastighet med principen om bevarande av momentum, och elektrisk potential med principen om bevarande av laddström, så i de system som beskrivs av oss, spin -polarisering är förknippad med principen om bevarande av momentum. När du tar hänsyn till denna princip, du får ytterligare ekvationer, bättre beskriva systemets utveckling, "förklarar prof. Florkowski.

Kvark-gluonplasma är ett sådant exotiskt tillstånd av materia att i decennier har tekniska tillämpningar kommer att vara utom räckhåll. Dock, dessa studier har viktiga konsekvenser idag. Relativistiska flöden av partiklar med spinn är ett nytt fönster till en värld av starka interaktioner, som, bland annat, binda kvarkar i protoner och neutroner. Således, starka interaktioner spelar en mycket viktig roll i universum, men de är extremt komplicerade att beskriva. Därför, forskare hoppas att det i relativistiska flöden med snurr kommer att bli möjligt att lära känna dessa effekter lite bättre.