Forskare från Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, och deras kollegor från det internationella ALICE-samarbetet kolliderade nyligen xenonkärnor i den superledande Large Hadron Collider för att få ny inblick i egenskaperna hos kvark-gluonplasma (QGP). QGP är ett speciellt tillstånd som består av kvarker och gluonerna som binder kvarkerna ihop. Resultaten publicerades i Fysikbokstäver B .

Forskarna ersatte de blyjoner som vanligtvis används vid kollisioner med xenonjoner. Xenon är en mindre atom med färre nukleoner i kärnan. När joner kolliderar, forskare skapar en eldboll som återskapar universums initiala förhållanden vid temperaturer som överstiger flera tusen miljarder grader. I motsats till universum, livslängden för dropparna av QGP som produceras i laboratoriet är extremt kort, en bråkdel av en sekund (cirka 10 ^-22 sekunder). Under dessa omständigheter, tätheten av kvarker och gluoner är mycket hög, och ett speciellt tillstånd av materia former där kvarker och gluoner är kvasifria, i det starkt interagerande QGP -tillståndet. Experimenten avslöjar att omedelbart innan atomer bildades i universum, urmaterial betedde sig som en vätska som kan beskrivas i termer av hydrodynamik.

"En av utmaningarna vi står inför är att, vid kraftiga jonkollisioner, bara informationen om det slutliga tillståndet för de många partiklarna som upptäcks av experimenten är direkt tillgänglig - men vi vill veta vad som hände i början av kollisionen och de första ögonblicken efteråt, "säger You Zhou, postdoc i forskargruppen Experimental Subatomic Physics vid Niels Bohr Institute. "Vi har utvecklat nya och kraftfulla verktyg för att undersöka egenskaperna hos den lilla droppen QGP som vi skapade i experimenten."

Forskarna studerade den rumsliga fördelningen av de många tusentals partiklar som uppstod från kollisionerna när kvarkerna och gluonerna fastnade i de partiklar som universum består av idag. Detta återspeglar inte bara kollisionens initiala geometri, men är känslig för egenskaperna hos QGP. Det kan ses som ett hydrodynamiskt flöde. "Transportegenskaperna för kvark-gluonplasma bestämmer den slutliga formen på molnet av producerade partiklar efter kollisionen, så detta är vårt sätt att närma sig själva QGP -skapelsens ögonblick, "Säger du Zhou.

Graden av anisotrop partikelfördelning - det faktum att det finns fler partiklar i vissa riktningar - återspeglar tre huvudsakliga informationsdelar:Den första är kollisionens initiala geometri. Den andra är de förhållanden som råder inne i de kolliderande nukleonerna. Den tredje är skjuvviskositeten hos själva kvark-gluonplasma. Skjuvviskositet uttrycker vätskans motstånd mot flöde, en viktig fysisk egenskap hos den skapade saken. "Det är en av de viktigaste parametrarna för att definiera egenskaperna hos kvark-gluonplasma, "Du Zhou förklarar, "för det berättar hur starkt gluonerna binder kvarkerna ihop."

"Med de nya xenonkollisionerna, vi har satt mycket snäva begränsningar på de teoretiska modellerna som beskriver resultatet. Oavsett de första villkoren, bly eller xenon, teorin måste kunna beskriva dem samtidigt. Om vissa egenskaper hos viskositeten hos kvarkgluonplasma påstås, modellen måste beskriva båda uppsättningarna data samtidigt, "säger You Zhou. Möjligheterna att få mer inblick i de faktiska egenskaperna hos" ursoppen "förstärks således avsevärt med de nya experimenten. Teamet planerar att kollidera andra kärnkraftssystem för att ytterligare begränsa fysiken, men detta kommer att kräva betydande utveckling av nya LHC -balkar.