Как поймать идеальную волну: ученые внимательнее исследуют идеальную жидкость
Исследования лаборатории Беркли приближают нас к пониманию того, как возникла наша Вселенная.
Ученые сообщили о новых ключах к разгадке космической загадки: как кварк-глюон плазма - идеальный флюид природы - превратился в материю.
Через несколько миллионных долей секунды после Большой взрыв, ранняя Вселенная приобрела странное новое состояние: субатомный суп, называемый кварк-глюонной плазмой.
И всего 15 лет назад международная группа, в которую входили исследователи из группы Релятивистских ядерных столкновений (RNC) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (лаборатория Беркли), обнаружила, что эта кварк-глюонная плазма представляет собой идеальная жидкость - в котором кварки и глюоны, строительные блоки протонов и нейтронов, настолько сильно связаны, что текут почти без трения.
Посмотрите покадровый видеоролик, на котором показана сверхзвуковая волна Маха, эволюционирующая в расширяющейся кварк-глюонной плазме. Компьютерное моделирование дает новое понимание того, как материя образовалась во время зарождения ранней Вселенной. Предоставлено: Лаборатория Беркли.
Ученые постулировали, что высокоэнергетические струи частиц пролетают через кварк-глюонную плазму - каплю размером с атомядро — на скоростях выше скорости звука, и это подобно быстро летящему реактивному самолету испускает сверхзвуковой удар, называемый волной Маха. Чтобы изучить свойства этих струйных частиц, в 2014 году группа под руководством ученых из лаборатории Беркли впервые применила метод атомной рентгеновской визуализации, называемый струйной томографией. Результаты этих основополагающих исследований показали, что эти струи рассеиваются и теряют энергию при распространении через кварк-глюонную плазму.
Но где же в кварк-глюонной плазме началось путешествие частиц джета? По прогнозам ученых, более слабый сигнал волны Маха, называемый диффузионным следом, подскажет, где искать. Но хотя потерю энергии было легко наблюдать, волна Маха и сопровождающий ее диффузионный след оставались неуловимыми.
Это видео 2010 года описывает столкновения тяжелых частиц на коллайдере релятивистских тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории. В 2005 году физики RHIC объявили, что материя, образовавшаяся в результате наиболее энергичных столкновений ускорителя, ведет себя как почти идеальная жидкость. Свойства этой жидкости, кварк-глюонной плазмы, помогают нам понять свойства материи в ранней Вселенной. Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.
Итак, в исследовании, недавно опубликованном в журнале Physical Review Letters,, ученые лаборатории Беркли сообщают о новых результатах моделирования моделей, показывающих, что другой изобретенный ими метод, называемый двухмерной струйной томографией, может помочь исследователям определить местонахождение призрачного сигнала диффузного следа.
«Его сигнал настолько мал, что это похоже на поиск иголки в стоге сена из 10,000 2 частиц. - Впервые наши симуляции показывают, что можно использовать двумерную струйную томографию, чтобы уловить крошечные сигналы диффузионного следа в кварк-глюонной плазме », - сказал руководитель исследования Синь-Нянь Ван, старший научный сотрудник отдела ядерных наук лаборатории Беркли. был частью международной команды, которая изобрела технику двухмерной струйной томографии.
Чтобы найти эту сверхзвуковую иглу в кварк-глюонном стоге сена, команда лаборатории Беркли проанализировала сотни тысяч столкновений ядер свинца, смоделированных на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN, и события столкновения ядер золота на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Некоторые компьютерные симуляции для текущего исследования были выполнены в пользовательском суперкомпьютере Berkeley Lab NERSC.
Ван говорит, что их уникальный подход «поможет вам избавиться от всего этого сена в стоге - поможет вам сосредоточиться на этой игле». Сверхзвуковой сигнал частиц реактивной струи имеет уникальную форму, похожую на конус, с диффузным следом, тянущимся за ним, как водная рябь за быстро движущейся лодкой. Ученые искали доказательства существования этого сверхзвукового «следа», потому что он говорит вам о том, что существует истощение частиц. Как только диффузионный след находится в кварк-глюонной плазме, вы можете отличить его сигнал от других частиц на заднем плане.
Их работа также поможет экспериментаторам на LHC и RHIC понять, какие сигналы следует искать в их стремлении понять, как кварк-глюонная плазма - идеальная природная жидкость - превратилась в материю. «Из чего мы сделаны? Как выглядела младенческая вселенная через несколько микросекунд после Большого взрыва? Работа над этим все еще продолжается, но наше моделирование долгожданного диффузионного следа приближает нас к ответу на эти вопросы », - сказал он.
Ссылка: "Поиск для неуловимого диффузионного следа, вызванного струей, в Z / γ-джетах с двухмерной струйной томографией в столкновениях тяжелых ионов высокой энергии »Вей Чен, Чжун Ян, Яюн Хэ, Вейяо Кэ, Лонг-Ганг Панг и Синь-Нянь Ван, 2 августа 17 г., Physical Review Letters,.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.082301
Дополнительными соавторами были Вэй Чен, Университет Китайской академии наук; Чжун Ян, Педагогический университет Центрального Китая; Яюн Хэ, Педагогический университет Центрального Китая и Педагогический университет Южного Китая; Weiyao Ke, Berkeley Lab и Калифорнийский университет в Беркли; и Longgang Pang, Педагогический университет Центрального Китая.
NERSC - это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США в лаборатории Беркли.
Работа выполнена при поддержке Управления науки и ядерной физики Министерства энергетики США.
