Vad har kvarg-gluonplasma – den varma soppan av elementarpartiklar som bildades några mikrosekunder efter Big Bang – gemensamt med kranvatten? Forskare säger att det är så det flyter.

En ny studie, publiceras idag i tidskriften SciPost fysik , har belyst de överraskande likheterna mellan kvarg-gluonplasma, den första saken som man trodde hade fyllt det tidiga universum, och vatten som kommer från vår kran.

Förhållandet mellan en vätskas viskositet, måttet på hur rinnande det är, och dess densitet, bestämmer hur det flyter. Även om både viskositeten och densiteten för kvarg-gluonplasma är cirka 16 storleksordningar större än i vatten, forskarna fann att förhållandet mellan viskositeten och densiteten för de två typerna av vätskor är detsamma. Detta tyder på att ett av de mest exotiska tillstånden av materia som finns i vårt universum skulle rinna ut ur din kran på ungefär samma sätt som vatten.

Materien som utgör vårt universum är gjord av atomer, som består av kärnor med kretsande elektroner. Kärnor består av protoner och neutroner som tillsammans kallas nukleoner och dessa består i sin tur av kvarkar som interagerar via gluoner. Vid mycket höga temperaturer – ungefär en miljon gånger varmare än mitten av Sunquarks och gluoner bryter sig loss från sina modernukleoner och bildar istället en tät, varm soppa känd som kvarg-gluonplasma.

Man tror att det tidiga universum strax efter Big Bang fylldes med otroligt hett kvarggluonplasma. Detta kyldes sedan mikrosekunder senare för att bilda byggstenarna för all materia som finns i vårt universum. Sedan början av 2000-talet har forskare kunnat återskapa kvarg-gluonplasma experimentellt med hjälp av stora partikelkolliderare, som har gett nya insikter om detta exotiska tillstånd av materia.

Den vanliga materia vi möter dagligen tros ha mycket olika egenskaper än kvarg-gluonplasman som hittades i universums tidiga början. Till exempel, vätskor som vatten styrs av beteendet hos atomer och molekyler som är mycket större än partiklarna som finns i kvarg-gluonplasma, och hålls samman av svagare krafter.

Dock, den senaste studien visar att trots dessa skillnader förhållandet mellan viskositet och densitet, känd som kinematisk viskositet, är nära i både kvarg-gluonplasma och vanliga vätskor. Detta förhållande är viktigt eftersom vätskeflödet inte enbart beror på viskositet utan styrs av Navier-Stokes ekvation som innehåller densitet och viskositet. Därför, om detta förhållande är detsamma för två olika vätskor kommer dessa två vätskor att flyta på samma sätt även om de har mycket olika viskositet och densiteter.

Viktigt, det är inte vilken vätskeviskositet som helst som sammanfaller med viskositeten hos kvarg-gluonplasma. Verkligen, vätskeviskositeten kan variera med många storleksordningar beroende på temperatur. Dock, det finns en mycket speciell punkt där vätskeviskositeten har en nästan universell nedre gräns. Tidigare forskning fann att inom den gränsen, vätskeviskositeten styrs av fundamentala fysikaliska konstanter som Planck-konstanten och nukleonmassan. Det är dessa naturkonstanter som i slutändan avgör om en proton är en stabil partikel, och styr processer som kärnsyntes i stjärnor och skapandet av väsentliga biokemiska element som behövs för livet. Den senaste studien fann att det är denna universella nedre gräns för viskositet för vanliga vätskor som vatten som visar sig vara nära viskositeten för kvarg-gluonplasma.

Professor Kostya Trachenko, Professor i fysik vid Queen Mary University of London och författare till den senaste artikeln, sa:"Vi förstår inte helt ursprunget till denna slående likhet ännu, men vi tror att det kan vara relaterat till de fundamentala fysikaliska konstanterna som sätter både den universella nedre gränsen för viskositet för både vanliga vätskor och kvarg-gluonplasma."

"Denna studie ger ett ganska sällsynt och förtjusande exempel på var vi kan göra kvantitativa jämförelser mellan enormt olika system, " fortsätter professor Matteo Baggioli från Universidad Autónoma de Madrid. "Vätskor beskrivs av hydrodynamik, vilket lämnar oss med många öppna problem som för närvarande ligger i framkant av fysikforskningen. Vårt resultat visar fysikens kraft att översätta allmänna principer till specifika förutsägelser om komplexa egenskaper som vätskeflöde i exotiska typer av materia som kvarg-gluonplasma."

Att förstå kvarg-gluonplasma och dess flöde är för närvarande i framkant av högenergifysik. Starka krafter mellan kvarkar och gluoner beskrivs av kvantkromodynamik, en av de mest omfattande fysikaliska teorierna som finns. Men medan kvantkromodynamik tillhandahåller en teori om stark kärnkraft, det är mycket svårt att lösa och förstå kvark-gluonplasmaegenskaper enbart med detta.

"Det är tänkbart att det nuvarande resultatet kan ge oss en bättre förståelse av kvarg-gluonplasman, ", tillade professor Vadim Brazhkin från Ryska vetenskapsakademin. "Anledningen är att viskositeten i vätskor som minimum motsvarar en mycket speciell vätskedynamik som vi förstod först nyligen. Likheten med QGP tyder på att partiklar i detta exotiska system rör sig på samma sätt som i kranvatten."