Многоинституциональная группа, известная как JET Collaboration, во главе с исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab), опубликовала свои результаты в недавнем выпуске Physical Review C. в области ядерной теории, учрежденной Управлением науки Министерства энергетики США в 2010 году. JET, что означает количественная струйная и электромагнитная томография, направлен на изучение зондов, используемых для исследования столкновений тяжелых ионов высоких энергий. В настоящее время в Коллаборации участвуют 12 учреждений, ведущим институтом которых является лаборатория Беркли.
«На сегодняшний день мы сделали наиболее точное извлечение ключевого свойства кварк-глюонной плазмы, которое показывает микроскопическую структуру этой почти идеальной жидкости», — говорит Синь-Нянь Ван, физик из отдела ядерных наук в Berkeley Lab и главный исследователь JET Collaboration. Ван объясняет, что идеальные жидкости имеют самое низкое отношение вязкости к плотности, разрешенное квантовой механикой, что означает, что они текут без трения.
Горячий плазменный супЧтобы создать и изучить кварк-глюонную плазму, ученые-ядерщики использовали ускорители частиц под названием Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе в Швейцарии.
Ускоряя тяжелые атомные ядра до высоких энергий и вталкивая их друг в друга, ученые могут воссоздать жаркие температурные условия ранней Вселенной.Внутри протонов и нейтронов, составляющих сталкивающиеся атомные ядра, находятся элементарные частицы, называемые кварками, которые прочно связаны друг с другом другими элементарными частицами, называемыми глюонами.
Только в экстремальных условиях, таких как столкновения, при которых температуры в миллион раз превышают температуру в центре Солнца, кварки и глюоны расходятся, превращаясь в сверхгорячую идеальную жидкость без трения, известную как кварк-глюонная плазма.«Температура настолько высока, что границы между различными ядрами исчезают, и все превращается в горячий плазменный суп из кварков и глюонов», — говорит Ван.
Этот сверхгорячий суп содержится в камере ускорителя частиц, но он недолговечен — быстро охлаждается и расширяется, что затрудняет его измерение. Экспериментаторы разработали сложные инструменты для решения этой проблемы, но до сих пор было трудно преобразовать экспериментальные наблюдения в точное количественное понимание кварк-глюонной плазмы, говорит он.Заглядывая внутрьВ этой новой работе команда Вана усовершенствовала зонд, который использует феномен, который исследователи из лаборатории Беркли впервые теоретически обозначили 20 лет назад: потеря энергии высокоэнергетической частицей, называемой струей, внутри кварк-глюонной плазмы.
«Когда образуется горячая кварк-глюонная плазма, иногда вы также производите эти очень энергичные частицы с энергией в тысячу раз большей, чем у остальной материи», — говорит Ван. Эта струя распространяется через плазму, рассеивается и теряет энергию на выходе.Поскольку исследователи знают энергию струи, когда она создается, и могут измерить ее выходящую энергию, они могут вычислить ее потери энергии, что дает ключ к разгадке плотности плазмы и силы ее взаимодействия со струей. «Это похоже на рентгеновский луч, проходящий через тело, чтобы вы могли заглянуть внутрь», — говорит Ван.
Одна из трудностей в использовании струи в качестве рентгеновского излучения кварк-глюонной плазмы заключается в том, что кварк-глюонная плазма представляет собой быстро расширяющийся огненный шар — он не остается неподвижным. «Вы создаете этот горячий огненный шар, который очень быстро расширяется и быстро остывает до обычной материи», — говорит Ван. По его словам, важно разработать модель, точно описывающую расширение плазмы.
Модель должна опираться на раздел теории, называемый релятивистской гидродинамикой, в которой движение жидкостей описывается уравнениями специальной теории относительности Эйнштейна.За последние несколько лет исследователи из JET Collaboration разработали такую модель, которая может описывать процесс расширения и наблюдаемые явления сверхгорячей идеальной жидкости. «Это позволяет нам понять, как струя распространяется через этот динамический огненный шар», — говорит Ван.Используя эту модель для расширения кварк-глюонной плазмы и распространения струи, исследователи проанализировали объединенные данные экспериментов PHENIX и STAR на RHIC и экспериментов ALICE и CMS на LHC, поскольку каждый ускоритель создавал кварк-глюонную плазму при разных начальных температурах. Команда определила одно особое свойство кварк-глюонной плазмы, называемое коэффициентом переноса струи, которое характеризует силу взаимодействия между струей и сверхгорячей материей. «Определенные значения коэффициента переноса струи могут помочь пролить свет на то, почему сверхгорячая материя является самой идеальной жидкостью, которую когда-либо видела Вселенная», — говорит Ван.
Питер Джейкобс, руководитель экспериментальной группы в лаборатории Беркли, которая выполнила первые измерения струи и потока в сотрудничестве со STAR в RHIC, говорит, что новый результат «очень ценен как окно в точную природу кварк-глюонной плазмы. , предпринятая коллаборацией JET для ее достижения, путем объединения усилий нескольких групп теоретиков и экспериментаторов, показывает, как в будущем проводить другие точные измерения свойств кварк-глюонной плазмы ».Следующие шаги команды — проанализировать будущие данные при более низких энергиях RHIC и более высоких энергиях LHC, чтобы увидеть, как эти температуры могут повлиять на поведение плазмы, особенно вблизи фазового перехода между обычным веществом и экзотическим веществом кварк-глюонной плазмы.
Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США, Управлением ядерной физики и использовала средства Национального вычислительного центра энергетических исследований (NERSC), расположенного в лаборатории Беркли.