Результаты, только что опубликованные в журнале Nature, добавляют новый рекорд к списку замечательных свойств, приписываемых кварк-глюонной плазме. Этот суп из основных строительных блоков материи — кварков и глюонов — имеет температуру в сотни тысяч раз выше, чем центр Солнца, и сверхнизкую вязкость, или сопротивление потоку, что заставило физиков описать его как «почти идеальный»."Изучая эти свойства и факторы, которые ими управляют, ученые надеются раскрыть секреты самой сильной и наиболее плохо изученной силы в природе — той, которая отвечает за связывание кварков и глюонов в протоны и нейтроны, которые составляют большую часть видимой материи. во вселенной сегодня.
В частности, результаты по завихренности или вихревому движению жидкости помогут ученым отсортировать различные теоретические описания плазмы. А с дополнительными данными, это может дать им способ измерить силу магнитного поля плазмы — важную переменную для исследования других интересных физических явлений.

«До сих пор большая история в характеристике QGP заключалась в том, что это горячая жидкость, которая взрывно расширяется и легко течет», — сказал Майкл Лиза, физик из Университета штата Огайо (OSU) и участник сотрудничества RHIC STAR. "Но мы хотим понять эту жидкость на гораздо более тонком уровне. Термализуется ли он или достигает равновесия достаточно быстро, чтобы образовывать вихри в самой жидкости?? И если да, то как жидкость реагирует на экстремальную завихренность??"Новый анализ, проведенный Лизой и аспирантом ОГУ Исааком Упсалом, дает STAR возможность получить эти более тонкие детали.
Выравнивание спинов
«Теория состоит в том, что если у меня есть жидкость с завихренностью — вихревая субструктура — она ​​имеет тенденцию выравнивать вращение частиц, которые она испускает, в том же направлении, что и вихри», — сказала Лиза.

И хотя внутри QGP может быть много маленьких водоворотов, все они указывают в случайных направлениях, в среднем их вращения должны совпадать с так называемым угловым моментом системы — вращением системы, создаваемым сталкивающимися частицами, когда они проносятся мимо. друг друга почти со скоростью света.

Чтобы отслеживать вращающиеся частицы и угловой момент, физики STAR коррелировали одновременные измерения на двух разных компонентах детектора. Первые, известные как счетчики луча-луча, расположены на переднем и заднем концах детектора STAR размером с дом, улавливая едва уловимые отклонения на путях сталкивающихся частиц, когда они проходят друг мимо друга. Размер и направление отклонения говорят физикам, сколько существует углового момента и в какую сторону он указывает для каждого события столкновения.

Между тем, камера Time Project в STAR, заполненная газом камера, которая окружает зону столкновения, отслеживает пути сотен или даже тысяч частиц, которые выходят перпендикулярно центру столкновения.
«Мы специально ищем признаки гиперонов лямбда, вращающихся частиц, которые распадаются на протон и пион, которые мы измеряем в камере временной проекции», — сказал Эрнст Зихтерманн, заместитель официального представителя STAR и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики.

Поскольку протон выходит почти выровненным с направлением вращения гиперона, отслеживание того места, где эти «дочерние» протоны сталкиваются с детектором, может быть заменой для отслеживания того, как выровнены спины гиперонов.
«Мы стремимся к систематическому предпочтению направления этих дочерних протонов, совпадающего с угловым моментом, который мы измеряем с помощью счетчиков пучка-пучка», — сказал Упсал. "Величина этого предпочтения говорит нам о степени завихренности — средней скорости завихрения — QGP."

Супер спин
Результаты показывают, что столкновения RHIC создают самую вихревую жидкость из когда-либо существовавших, QGP, вращающийся быстрее, чем торнадо, более мощный, чем самая быстрая вращающаяся жидкость в истории. «Таким образом, самая идеальная жидкость с наименьшей вязкостью также имеет наибольшую завихренность», — сказала Лиза.

В этом есть смысл, потому что низкая вязкость в QGP позволяет сохранить завихренность, сказала Лиза. «Вязкость разрушает водовороты. С QGP, если вы установите его вращение, он будет продолжать вращаться."
Эти данные также соответствуют прогнозам различных теорий завихренности QGP. «Различные теории предсказывают разные суммы, в зависимости от того, какие параметры они включают, поэтому наши результаты помогут нам разобраться в этих теориях и определить, какие факторы являются наиболее значимыми», — сказал Сергей Волошин, сотрудник STAR из Государственного университета Уэйна. «Но большинство теоретических предположений были слишком низкими», — добавил он. "Наши измерения показывают, что QGP даже более завихренный, чем предполагалось."

Это открытие было сделано в рамках программы Beam Energy Scan, в которой используется уникальная способность RHIC систематически изменять энергию столкновений в диапазоне, в котором наблюдались другие особенно интересные явления. Фактически, теории предполагают, что это может быть оптимальным диапазоном для открытия и последующего изучения выстраивания спинов, вызванного завихренностью, поскольку ожидается, что этот эффект будет уменьшаться при более высоких энергиях.
Увеличение числа гиперонов лямбда, отслеживаемых в будущих столкновениях на RHIC, улучшит способность ученых STAR использовать эти измерения для расчета силы магнитного поля, создаваемого при столкновениях RHIC. Сила магнетизма влияет на движение заряженных частиц по мере их создания и возникновения в результате столкновений RHIC, поэтому измерение его силы важно для полной характеристики QGP, в том числе того, как он разделяет разно заряженные частицы.

«Теория предсказывает, что магнитное поле, создаваемое в экспериментах с тяжелыми ионами, намного выше, чем любое другое магнитное поле во Вселенной», — сказала Лиза. По крайней мере, возможность точного измерения может поставить еще один рекорд для QGP.