Изучение идеальной жидкости | Док-камминс расскажет о науке, технологии и здоровье

Изучение идеальной жидкости

Комбинируя данные от двух высокоэнергетических акселераторов, физики-ядерщики усовершенствовали измерение замечательных свойств экзотической материи, известной как кварк-глюонная плазма.  Результаты раскрывают новые аспекты ультрагорячей «идеальной жидкости», которые дают ключ к разгадке состояния молодой Вселенной, спустя микросекунды после Большого взрыва.

«Мы сделали, безусловно, самое точное извлечение ключевого свойства кварк-глюонной плазмы, которое раскрывает микроскопическую структуру этой почти идеальной жидкости», — говорит Синь-Нянь Ван, физик в Отделе ядерных исследований при Лаборатории Беркли.  Как объясняет Ван, совершенные жидкости имеют самое низкое отношение вязкости к плотности, которое означает, что они по существу текут без трения.

Горячий плазменный суп

Для создания и изучения кварк-глюонной плазмы физики-ядерщики использовали ускоритель частиц, называемый релятивистским коллайдером тяжелых ионов, в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и большой адронный коллайдер в ЦЕРНе в Швейцарии.  Ускоряя тяжелые атомные ядра до высоких энергий и взрывая их друг об друга, ученые могут воссоздать горячие температурные условия ранней Вселенной.

Внутри протонов и нейтронов, которые составляют сталкивающиеся атомные ядра, лежат элементарные частицы, называемые кварки, которые плотно связаны с другими элементарными частицами, называемыми глюоны.  Только в экстремальных условиях, таких как столкновения, при которых температура превышает в миллионы раз температуру в центре Солнца, кварки и глюоны разделяются, становясь ультрагорячей, лишенной трения идеальной жидкостью, известный как кварк-глюонная плазма.

«Температура настолько высока, что границы между различными ядрами исчезают, и все становится похожим на горячий плазменный суп из кварков и глюонов», — говорит Ван.  Этот ультрагорячий суп содержится в камере ускорителя частиц, но недолго, быстрое охлаждение и расширение затрудняют его измерения.  Экспериментаторы разработали сложные инструменты для преодоления этой проблемы, но перевод экспериментальных наблюдений в точное количественное понимание кварк-глюонной плазмы до сих пор трудноосуществим.

Взгляд изнутри

«Когда генерируется горячая кварк-глюонная плазма, иногда также производятся очень энергичные частицы с энергией в тысячу раз больше, чем у остальной части материи», — говорит Ван.  Эта струя проходит через плазму, рассеивается и теряет энергию на своем пути.

Поскольку исследователи знают энергию струи, когда она производится, и могут измерить ее энергию на выходе, они могут вычислить энергетическую потерю, которая дает представление о плотности плазмы и силе ее взаимодействия со струей.

Одна из трудностей в использовании струи как рентгена, заключается в том, что  кварк-глюонная плазма является быстро растущим огненным шаром. «Вы создаете этот горячий огненный шар, который расширяет очень быстро, так как охлаждается быстро до обычной материи», — говорит Ван.  Поэтому важно разработать модель, точно описывающую расширение плазмы.  Модель должна опираться на раздел теории, называемой релятивистской гидродинамикой, в которой движение жидкостей описывается уравнениями из  эйнштейновской теории относительности.

За последние несколько лет исследователи разработали такую ??модель, которая может описать процесс расширения и наблюдаемые явления ультрагорячей идеальной жидкости.

Ученые определили одно особое свойство кварк-глюонной плазмы, называемое реактивным транспортным коэффициентом, который характеризует силу взаимодействия между струей и ультрагорячей материей.  «Определенные значения реактивного транспортного коэффициента могут помочь пролить свет на то, почему ультрагорячая материя является самой идеальной жидкостью во Вселенной», — говорит Ван.