Neutronstjärnor i universum, ultrakalla atomgaser i laboratoriet och kvark-gluonplasman som skapades i kollisioner av atomkärnor vid Large Hadron Collider (LHC):de kan verka helt orelaterade men, förvånansvärt nog, har de något gemensamt. De är alla ett vätskeliknande tillstånd av materia som består av starkt interagerande partiklar. Insikter i egenskaperna och beteendet hos någon av dessa nästan perfekta vätskor kan vara nyckeln till att förstå naturen över skalor som är i storleksordningar från varandra.
I en ny artikel rapporterar CMS-samarbetet den mest exakta mätningen hittills av den hastighet med vilken ljud rör sig i kvarg-gluonplasman, vilket ger nya insikter om detta extremt heta tillstånd av materia.
Ljud är en longitudinell våg som färdas genom ett medium och producerar kompressioner och sällsynta material i samma riktning som dess rörelse. Ljudhastigheten beror på mediets egenskaper, såsom dess densitet och viskositet. Den kan därför användas som en sond för mediet.
Vid LHC bildas kvark-gluonplasman vid kollisioner mellan tunga joner. I dessa kollisioner, under en mycket liten bråkdel av en sekund, avsätts en enorm mängd energi i en volym vars maximala storlek är den för en atoms kärna. Kvarkar och gluoner som kommer ut från kollisionen rör sig fritt inom detta område, vilket ger ett vätskeliknande tillstånd av materia vars kollektiva dynamik och makroskopiska egenskaper är väl beskrivna av teorin.
Ljudhastigheten i denna miljö kan erhållas från den hastighet med vilken trycket ändras som svar på variationer i energitäthet eller, alternativt, från den hastighet med vilken temperaturen ändras som svar på variationer i entropi, vilket är ett mått på oordning i en system.
Vid kollisioner med tunga joner kan entropin härledas från antalet elektriskt laddade partiklar som emitteras från kollisionerna. Temperaturen, å andra sidan, kan härledas från den genomsnittliga transversella rörelsemängden (d.v.s. rörelsemängden tvärs kollisionsaxeln) för dessa partiklar.
Med hjälp av data från bly-bly-kollisioner vid en energi på 5,02 biljoner elektronvolt per par nukleoner (protoner eller neutroner) har CMS-samarbetet för första gången mätt hur temperaturen varierar med entropin i centrala tung-jon-kollisioner, där joner kolliderar frontalt och överlappar nästan helt.
Från denna mätning fick de ett värde för ljudets hastighet i detta medium som är nästan hälften av ljusets hastighet och har rekordprecision:i enheter av ljusets hastighet är ljudets kvadrerathastighet 0,241, med en statistisk osäkerhet på 0,002 och en systematisk osäkerhet på 0,016. Med hjälp av det genomsnittliga transversella momentumet bestämde de också den effektiva temperaturen för kvark-gluonplasman till 219 miljoner elektronvolt (MeV), med en systematisk osäkerhet på 8 MeV.
Resultaten matchar de teoretiska förväntningarna och bekräftar att kvarg-gluonplasman fungerar som en vätska gjord av partiklar som bär enorma mängder energi.
Tidningen publiceras på arXiv förtrycksserver.
Mer information: Extraherar ljudets hastighet i den starkt interagerande materia som skapas i ultrarelativistiska bly-bly-kollisioner vid LHC, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.06896
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av CERN
