Forskare har rapporterat nya ledtrådar för att lösa en kosmisk gåta:hur kvarg-gluonplasman – naturens perfekta vätska – utvecklades till materia.

Några miljondelar av en sekund efter Big Bang, det tidiga universum antog ett konstigt nytt tillstånd:en subatomär soppa som kallas kvark-gluonplasma.

Och för bara 15 år sedan, ett internationellt team inklusive forskare från gruppen Relativistic Nuclear Collisions (RNC) vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) upptäckte att denna kvarg-gluonplasma är en perfekt vätska – i vilken kvarkar och gluoner, byggstenarna för protoner och neutroner, är så starkt kopplade att de flyter nästan friktionsfritt.

Forskare postulerade att mycket energiska partikelstrålar flyger genom kvarg-gluonplasman - en droppe lika stor som en atoms kärna - med hastigheter som är snabbare än ljudets hastighet, och det som ett snabbt flygande jetplan, avge en överljudsboom som kallas en Mach-våg. För att studera egenskaperna hos dessa jetpartiklar, 2014 var ett team ledd av forskare från Berkeley Lab banbrytande för en atomär röntgenteknik som kallas jettomografi. Resultat från dessa seminalstudier visade att dessa strålar sprids och förlorar energi när de fortplantar sig genom kvarg-gluonplasman.

Men var började jetpartiklarnas resa inom kvarg-gluonplasman? En mindre Mach-vågssignal som kallas diffusionsvaken, forskare förutspådde, skulle berätta var du ska leta. Men medan energiförlusten var lätt att observera, Mach-vågen och åtföljande diffusionsvak förblev svårfångade.

Nu, i en studie som nyligen publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev , forskarna från Berkeley Lab rapporterar nya resultat från modellsimuleringar som visar att en annan teknik som de uppfann kallad 2D-jettomografi kan hjälpa forskare att lokalisera diffusionsvakens spöklika signal.

"Dess signal är så liten, det är som att leta efter en nål i en höstack på 10, 000 partiklar. För första gången, våra simuleringar visar att man kan använda 2D-jettomografi för att fånga upp de små signalerna från diffusionsvaken i kvarg-gluonplasman, " sa studieledaren Xin-Nian Wang, en senior forskare vid Berkeley Labs kärnvetenskapsavdelning som var en del av det internationella team som uppfann 2D-jettomografitekniken.

För att hitta den där överljudsnålen i kvarg-gluon-höstacken, Berkeley Lab-teamet slog igenom hundratusentals bly-kärnorkollisioner simulerade vid Large Hadron Collider (LHC) vid CERN, och guldkärnor kollisionshändelser vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory. Några av datorsimuleringarna för den aktuella studien utfördes vid Berkeley Labs NERSC superdatoranvändaranläggning.

Wang säger att deras unika tillvägagångssätt "kommer att hjälpa dig att bli av med allt detta hö i din hög - hjälpa dig att fokusera på den här nålen." Jetpartiklarnas överljudssignal har en unik form som ser ut som en kon – med ett diffusionsvak bakom, som krusningar av vatten i kölvattnet av en snabbgående båt. Forskare har sökt efter bevis för denna överljuds "wakelet" eftersom den talar om för dig att det finns en utarmning av partiklar. När väl diffusionsvaket är lokaliserat i kvarg-gluonplasman, du kan skilja dess signal från de andra partiklarna i bakgrunden.

Deras arbete kommer också att hjälpa experimentalister vid LHC och RHIC att förstå vilka signaler de ska leta efter i deras strävan att förstå hur kvarg-gluonplasman – naturens perfekta vätska – utvecklades till materia. "Vad är vi gjorda av? Hur såg spädbarnsuniversumet ut under några mikrosekunder efter Big Bang? Det här är fortfarande ett pågående arbete, men våra simuleringar av det länge eftersökta diffusionsvaket får oss närmare att svara på dessa frågor, " han sa.