Največji svetovni tarčniki atomov proizvajajo najmanjše svetovne kapljice: kako majhna se lahko kapljica skrči in še vedno ostaja tekočina? | 2020

Vsebina:

Anonim

To eksistencialno vprašanje je bilo sproženo z vrsto eksperimentov, ki so bili pred kratkim izvedeni na Velikem hadronskem trkalniku in Relativističnem težkem ionskem trkalniku, ki skupaj razbijeta različne atomske delce skoraj pri svetlobni hitrosti, da bi ustvarili drobne kapljice primordialne juhe: kvark-gluon plazma (QGP), za katero so prepričani, da so kozmologi dominirali v vesolju po mikrosekundah po Velikem poku, preden se je vesolje dovolj ohladilo, da so se atomi oblikovali. Pravzaprav je pretočna značilnost teh kapljic glavna tema na znanstveni konferenci Quark Matter 2015, ki poteka ta teden v Kobeju na Japonskem.

V okviru ekipe CMS detektorja Large Hadron Collider, profesorica fizike Julia Velkovska, postdoktorski sodelavec Shenguan Tuo in asistent raziskovalni profesor Shengli Huang na univerzi Vanderbilt, sta bili sredi teh odkritij.

V letu 2010 je LHC uspešno ustvaril subatomske blobice QGP s trčenjem vodilnih ionov skupaj. Razbijanje teh dveh masivnih ionov, od katerih vsak vsebuje stotine protonov in nevtronov, je ustvarilo ogromne temperature, ki so več kot 250.000-krat bolj vroče od jedra sonca, ki so potrebne za oblikovanje prvobitnega stanja snovi.

(Na žalost fiziki nimajo neposrednega načina za merjenje števila delcev v kvark-gluonovi plazmi, zato uporabljajo število subatomskih delcev, ki nastanejo, ko plazma izhlapi kot merilo njihove velikosti.)

"Svinčevi ioni so zelo veliki, od katerih vsak vsebuje več sto protonov in nevtronov. Ko jih raztrgate skupaj pri zelo visoki hitrosti, ustvarjajo plazme, ki proizvajajo na tisoče delcev, ko se ohladijo," je dejal Velkovska. "Toda, ko se je LHC preklopil na trke protonskih vodikov, nismo mislili, da bi trki vsebovali dovolj energije za proizvodnjo plazme."

Vendar pa je Tuo kot del svoje doktorske disertacije podrobno meril obnašanje delcev, ki so nastali zaradi teh manjših trkov protonskega svinca, in ugotovil, da dejansko proizvajajo tekoče kapljice, ki so bile približno ena desetina velikosti tistih, ki so nastale v trčenja svinca.

"Vsi so bili presenečeni, ko smo začeli iskati dokaze za tekoče vedenje," je dejal Tuo. "To je povzročilo nekaj zelo intenzivnih razprav."

Ena od ključnih lastnosti tekočine je sposobnost pretoka. Gledano s stališča posameznih delcev v tekočini, zmožnost pretoka pomeni, da vsak delec izvaja sile, ki privlačijo sosede, ki so dovolj močne, da vplivajo na njihovo gibanje, vendar niso dovolj močne, da bi jih zaklenile skupaj, kot so. v trdnem stanju. Njihova gibanja so torej usklajena in ko so izpuščena iz zabojnika, zadržijo podatke o obliki posode. Tuove meritve so pokazale, da majhno število delcev, ki nastanejo v trkih proton-svinec, izvira iz elipsoidnih površin majhnih QGP kapljic.

Zaradi računskih težav fiziki običajno iščejo te korelacije med pari delcev, vendar so Velkovska, Tuo in njihovi sodelavci CMS naredili več korakov naprej. Iskali so korelacije med štirimi, šestimi in osmimi delci. V nekaterih primerih so se lotili izjemne dolžine izračunavanja korelacij med vsemi delci v danem trku.

"Te meritve so potrdile, da smo to koherentno vedenje videli tudi v kapljicah, ki proizvajajo le 100 do 200 delcev," je dejal Tuo. Rezultati so bili objavljeni leta 2006. T Fizična pisma za pregled v juniju. Toda to ni bilo konec zgodbe.

Rekonstrukcija plazme kvark gluon (QGP) sega v leto 2005. Velkovska in njeni kolegi Vanderbilt - profesorji fizike Victoria Greene in Charlie Maguire - so bili člani znanstvenega tima PHENIX na RHIC, ki se nahaja v Nacionalnem laboratoriju Brookhaven. da so ustvarili to novo stanje snovi s trčenjem zlatih ionov skupaj pri relativističnih hitrostih. Veliko presenečenje je bilo, da se je to prvobitno gradivo obnašalo kot tekočina in ne kot plin.

Da bi videli, kaj se je zgodilo pri še višjih energijah, se je skupina Vanderbilt pridružila znanstveni skupini CMS na LHC, ki je bila locirana v Evropskem laboratoriju za fiziko jedrskih in delcev v Ženevi. Močnejši trk s trdnimi delci je uspel podvojiti rezultate RHIC, najprej, kot je bilo pričakovano, z razbijanjem vodilnih ionov skupaj in nato nepričakovano v trkih protonskega svinca.

Rezultati proton-svinca so znanstvenike iz skupine PHENIX spodbudili, da ponovno analizirajo podatke, ki so bili zbrani na RHIC-ju leta 2000, ko je trk dosegel deuterijeve ione (pare proton-nevtronov) in zlate ione skupaj pri mnogo nižjih energijah kot tisti v LHC. Ponovna analiza, ki jo je vodil Shengli Huang, je pokazala, da so pari proton-nevtronov tvorili dve vroči točki v zlatem ionu, ko sta se trčili in nato združili v podolgovato kapljico QGP.

Raziskovalci RHIC so se odločili, da bodo to dodatno preizkusili z dodajanjem novega teka, ki je trčil proti helijevim ionom (dva protona in nevtrona) z zlatimi ioni, in ugotovilo, da se je to zgodilo, razen da so se tri vroče točke oblikovale in združile v kapljico QGP. Rezultati so bili pravkar objavljeni v Fizična pisma za pregled .

»Čeprav trki LHC sprožijo 25-krat več energije kot trki RHIC, ne vidimo velike razlike v procesu nastajanja kapljic: Ko dosežete prag, se zdi, da dodajanje več energije nima veliko učinka,« je dejal Velkovska. "Mislim, da ne moreš biti bolj popoln kot popoln!"

Ne samo, da so fiziki ugotovili, da je kvark-gluonska plazma tekočina, so tudi fiziki ugotovili, da je skoraj popolna tekočina: to je tekočina z ničelno viskoznostjo, ki teče brez kakršnegakoli odpornosti. Če v steklo odplaknete popolno tekočino in postavite steklo navzdol, se bo tekočina še naprej vrtela okrog, dokler ne bo motena.

Nenavadno je, da je fenomen, ki je najbolj podoben lastnostim najbolj vroče znane tekočine, ena izmed najhladnejših znanih tekočin: litijev atom, ki je bil ohlajen na temperaturo ene milijardinke stopnje nad absolutno ničlo z uporabo naprave, imenovane laserska past. Ko se sprostijo iz pasti, se ti ultra hladni atomi obnašajo tudi kot popolna tekočina z skoraj ničelno viskoznostjo.

"To sta oba močno povezana sistema. Zdi se, da je to nastajajoča lastnost takšnih sistemov," je zaključil Velkovska.