Kärnfysiker som analyserar data från PHENIX -detektorn vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - ett US Department of Energy (DOE) Office of Science användaranläggning för kärnfysisk forskning vid Brookhaven National Laboratory - har publicerat i tidskriften Naturfysik ytterligare bevis på att kollisioner av små projektiler med guldkärnor skapar små fläckar av den perfekta vätskan som fyllde det tidiga universum.

Forskare studerar denna heta soppa som består av kvarker och gluoner - byggstenarna för protoner och neutroner - för att lära sig om den grundläggande kraften som håller dessa partiklar ihop i den synliga materia som utgör vår värld idag. Möjligheten att skapa så små fläckar av ursoppen (känd som kvark-gluonplasma) var från början oväntad och kunde ge insikt i de väsentliga egenskaperna hos denna anmärkningsvärda form av materia.

"Detta arbete är kulmen på en serie experiment som är utformade för att konstruera formen på kvark-gluonplasmadropparna, "sa PHENIX -medarbetaren Jamie Nagle från University of Colorado, Flyttblock, som hjälpte till att ta fram den experimentella planen samt de teoretiska simuleringarna som teamet skulle använda för att testa deras resultat.

PHENIX -samarbetets senaste uppsats innehåller en omfattande analys av kollisioner mellan små projektiler (enstaka protoner, deuteroner med två partiklar, och trepartikel-helium-3-kärnor) med stora guldkärnor "mål" som rör sig i motsatt riktning med nästan ljusets hastighet. Teamet spårade partiklar som kom från dessa kollisioner, letar efter bevis för att deras flödesmönster stämde överens med projektilernas ursprungliga geometrier, som skulle förväntas om de små projektilerna verkligen skapade en perfekt flytande kvark-gluonplasma.

"RHIC är den enda acceleratorn i världen där vi kan utföra ett så hårt kontrollerat experiment, kolliderande partiklar gjorda av en, två, och tre komponenter med samma större kärna, guld, allt på samma energi, sa Nagle.

Perfekt vätska inducerar flöde

Den "perfekta" vätskan är nu ett väletablerat fenomen vid kollisioner mellan två guldkärnor vid RHIC, där den intensiva energin hos hundratals kolliderande protoner och neutroner smälter gränserna för dessa enskilda partiklar och låter deras bestående kvarker och gluoner blandas och interagera fritt. Mätningar vid RHIC visar att denna soppa av kvarker och gluoner flyter som en vätska med extremt låg viskositet (aka, nästan perfektion enligt teorin om hydrodynamik). Bristen på viskositet gör att tryckgradienter som etablerats tidigt i kollisionen kan bestå och påverka hur partiklar som kommer från kollisionen träffar detektorn.

"Om sådana lågviskositetsförhållanden och tryckgradienter skapas vid kollisioner mellan små projektiler och guldkärnor, partikelmönstret som tas upp av detektorn bör behålla lite "minne" av varje projektils ursprungliga form - sfäriskt vid protoner, elliptisk för deuteroner, och triangulär för helium-3-kärnor, "sade PHENIX -talesman Yasuyuki Akiba, en fysiker med RIKEN -laboratoriet i Japan och RIKEN/Brookhaven Lab Research Center.

PHENIX analyserade mätningar av två olika typer av partikelflöde (elliptiskt och triangulärt) från alla tre kollisionssystemen och jämförde dem med förutsägelser för vad som kan förväntas baserat på den initiala geometrin.

"De senaste uppgifterna-de triangulära flödesmätningarna för proton-guld och deuteron-guld-kollisioner som nyligen presenterades i detta dokument-kompletterar bilden, "sa Julia Velkovska, en biträdande talesperson för PHENIX, som ledde ett team involverat i analysen vid Vanderbilt University. "Detta är en unik kombination av observerbara som möjliggör avgörande modelldiskriminering."

"I alla sex fallen mätningarna matchar förutsägelserna baserat på den ursprungliga geometriska formen. Vi ser mycket starka samband mellan initial geometri och slutliga flödesmönster, och det bästa sättet att förklara det är att kvark-gluonplasma skapades i dessa små kollisionssystem. Detta är mycket övertygande bevis, "Sa Velkovska.

Jämförelser med teori

De geometriska flödesmönstren beskrivs naturligt i teorin om hydrodynamik, när en nästan perfekt vätska skapas. Experimentserien där dropparnas geometri styrs av valet av projektilen utformades för att testa hydrodynamikhypotesen och för att kontrastera den med andra teoretiska modeller som ger partikelkorrelationer som inte är relaterade till initial geometri. En sådan teori betonar kvantmekaniska interaktioner-särskilt bland överflödet av gluoner som postulerats för att dominera den inre strukturen hos de accelererade kärnorna-som spelar en viktig roll i de mönster som observeras i småskaliga kollisionssystem.

PHENIX-teamet jämförde sina uppmätta resultat med två teorier baserade på hydrodynamik som exakt beskriver kvark-gluonplasma som observerades vid RHIC:s guld-guldkollisioner, liksom de som förutses av den kvantmekanikbaserade teorin. PHENIX-samarbetet fann att deras data passar bäst med kvark-gluonplasmabeskrivningarna-och stämmer inte överens, särskilt för två av de sex flödesmönstren, med förutsägelserna baserade på de kvantmekaniska gluoninteraktionerna.

Papperet innehåller också en jämförelse mellan kollisioner av guldjoner med protoner och deuteroner som specifikt valdes ut för att matcha antalet partiklar som produceras i kollisionerna. Enligt den teoretiska förutsägelsen baserad på gluoninteraktioner, partikelflödesmönstren bör vara identiska oavsett initial geometri.

"Med allt annat lika, vi ser fortfarande större elliptiskt flöde för deuteron-guld än för protonguld, som närmare matchar teorin för hydrodynamiskt flöde och visar att mätningarna beror på den ursprungliga geometrin, "Sade Velkovska." Det betyder inte att gluoninteraktionerna inte existerar, "fortsatte hon." Den teorin bygger på fasta fenomen inom fysiken som borde finnas där. Men baserat på vad vi ser och vår statistiska analys av överensstämmelsen mellan teorin och data, dessa interaktioner är inte den dominerande källan till de slutliga flödesmönstren. "

PHENIX analyserar ytterligare data för att bestämma temperaturen som uppnås vid småskaliga kollisioner. Om det är tillräckligt varmt, dessa mätningar skulle vara ytterligare stödjande bevis för bildandet av kvark-gluonplasma.

Samspelet med teori, inklusive konkurrensförklaringar, kommer att fortsätta spela. Berndt Mueller, Brookhaven Labs associerade chef för kärn- och partikelfysik, har uppmanat experimentella fysiker och teoretiker att samlas för att diskutera detaljerna vid en speciell workshop som kommer att hållas i början av 2019. "Denna fram och tillbaka-jämförelse mellan mätningar, förutsägelser, och förklaringar är ett viktigt steg på vägen till nya upptäckter - vilket RHIC -programmet har visat under sina framgångsrika 18 års verksamhet, " han sa.