Die größten Atomzerstörer der Welt produzieren die kleinsten Tröpfchen der Welt: Wie klein kann ein Tröpfchen schrumpfen und dennoch flüssig bleiben? | 2020

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Anonim

Diese existenzielle Frage wurde durch eine Reihe von Experimenten aufgeworfen, die kürzlich am Large Hadron Collider und am Relativistic Heavy Ion Collider durchgeführt wurden und bei denen verschiedene Atompartikel nahezu mit Lichtgeschwindigkeit zusammengeschlagen wurden, um winzige Tropfen der Ursuppe zu erzeugen: das Quark-Gluon Plasma (QGP), von dem Kosmologen überzeugt sind, dominierte das Universum Mikrosekunden nach dem Urknall, bevor sich das Universum so weit abkühlte, dass sich Atome bilden konnten. Tatsächlich ist die Strömungscharakteristik dieser Tröpfchen ein Hauptthema bei einer wissenschaftlichen Konferenz, Quark Matter 2015, die diese Woche in Kobe, Japan, stattfindet.

Als Teil des CMS-Detektorteams von Large Hadron Collider waren Professorin für Physik Julia Velkovska, Postdoktorandin Shenguan Tuo und stellvertretende Forschungsprofessorin Shengli Huang von der Vanderbilt University an diesen Entdeckungen beteiligt.

Im Jahr 2010 schuf der LHC erfolgreich subatomare QGP-Blobs, indem er Bleiionen zusammenstieß. Das Zertrümmern dieser beiden massereichen Ionen, die jeweils Hunderte von Protonen und Neutronen enthalten, hatte die enormen Temperaturen erzeugt, die mehr als 250.000 Mal heißer als der Kern der Sonne sind, damit sich der Urzustand der Materie bildet.

(Leider haben die Physiker keine direkte Möglichkeit, die Anzahl der Partikel im Quark-Gluon-Plasma zu messen. Daher verwenden sie die Anzahl der subatomaren Partikel, die beim Verdampfen des Plasmas entstehen, als Maß für ihre Größe.)

"Bleiionen sind sehr groß und enthalten jeweils Hunderte von Protonen und Neutronen. Wenn Sie sie mit sehr hoher Geschwindigkeit zerschlagen, erzeugen sie Plasma-Blobs, die beim Abkühlen Tausende von Partikeln produzieren", sagte Velkovska. "Aber als der LHC auf Protonen-Blei-Ionen-Kollisionen umstellte, dachten wir nicht, dass die Kollisionen genug Energie enthalten würden, um das Plasma zu produzieren."

Im Rahmen seiner Doktorarbeit nahm Tuo jedoch detaillierte Messungen des Verhaltens der Partikel vor, die durch diese kleineren Protonen-Blei-Kollisionen erzeugt wurden, und entdeckte, dass sie tatsächlich Flüssigkeitströpfchen produzierten, die etwa ein Zehntel der Größe der im Blei-Blei-Kollisionen.

"Alle waren überrascht, als wir Beweise für flüssiges Verhalten fanden", sagte Tuo. "Es hat einige sehr intensive Debatten ausgelöst."

Eine der wichtigsten Eigenschaften einer Flüssigkeit ist die Fähigkeit zu fließen. Aus der Sicht der einzelnen Partikel in einer Flüssigkeit bedeutet die Fähigkeit zu fließen, dass jedes Partikel eine anziehende Kraft auf seine Nachbarn ausübt, die stark genug ist, um ihre Bewegung zu bewirken, aber nicht stark genug, um sie so zusammenzuhalten, wie sie sind in einem festen. So werden ihre Bewegungen koordiniert und beim Loslassen aus einem Container bleiben Informationen über die Form des Containers erhalten. Tuos Messungen zeigten, dass eine geringe Anzahl von Partikeln, die bei den Protonen-Blei-Kollisionen erzeugt wurden, auf den ellipsoidalen Oberflächen kleiner QGP-Tröpfchen entstanden ist.

Aufgrund der damit verbundenen Rechenschwierigkeiten suchen Physiker normalerweise nach diesen Korrelationen zwischen Teilchenpaaren, aber Velkovska, Tuo und ihre CMS-Mitarbeiter gingen noch einige Schritte weiter. Sie suchten nach Korrelationen zwischen Gruppen von vier, sechs und acht Teilchen. In einigen Fällen gingen sie auf die außergewöhnliche Länge der Berechnung der Korrelationen zwischen allen Partikeln in einer bestimmten Kollision.

"Diese Messungen haben bestätigt, dass wir dieses kohärente Verhalten auch bei Tröpfchen beobachten konnten, die nur 100 bis 200 Partikel produzieren", sagte Tuo. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Physische Begutachtungsschreiben im Juni. Aber das war nicht das Ende der Geschichte.

Die Rekonstruktion des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) geht auf das Jahr 2005 zurück. Velkovska und ihre Vanderbilt-Kollegen - die Physikprofessoren Victoria Greene und Charlie Maguire - waren Mitglieder des PHENIX-Wissenschaftsteams am RHIC im Brookhaven National Laboratory, als sie bekannt gaben dass sie diesen neuen Materiezustand geschaffen hatten, indem sie Goldionen mit relativistischen Geschwindigkeiten zusammenstießen. Die große Überraschung war, dass sich dieses ursprüngliche Material eher wie eine Flüssigkeit als wie ein Gas verhielt.

Um zu sehen, was bei noch höheren Energien geschah, schloss sich die Vanderbilt-Gruppe dem CMS-Wissenschaftsteam am LHC des Europäischen Labors für Kern- und Teilchenphysik in Genf an. Dem leistungsstärkeren Teilchenkollider gelang es, die RHIC-Ergebnisse zunächst wie erwartet zu duplizieren, indem er Bleiionen zusammenbrach und dann unerwartet in den Protonen-Blei-Kollisionen.

Die Protonen-Blei-Ergebnisse veranlassten die Wissenschaftler im PHENIX-Team, Daten erneut zu analysieren, die im Jahr 2000 am RHIC gesammelt wurden, als der Collider Deuteriumionen (Protonen-Neutronen-Paare) und Goldionen mit viel niedrigeren Energien zusammengeschlagen hatte als in der LHC. Die von Shengli Huang durchgeführte erneute Analyse ergab, dass die Proton-Neutronen-Paare bei ihrer Kollision zwei heiße Punkte im Goldion bildeten, die dann zu einem langgestreckten Tropfen QGP verschmolzen.

Die RHIC-Forscher beschlossen, dies weiter zu testen, indem sie einen neuen Lauf hinzufügten, bei dem Heliumionen (zwei Protonen und ein Neutron) mit Goldionen kollidierten, und stellten fest, dass dasselbe passierte, mit der Ausnahme, dass sich drei heiße Stellen bildeten und in dem QGP-Tröpfchen verschmolzen. Die Ergebnisse wurden gerade in veröffentlicht Physische Begutachtungsschreiben .

"Obwohl die LHC-Kollisionen 25-mal mehr Energie freisetzen als die RHIC-Kollisionen, sehen wir keinen großen Unterschied im Tröpfchenbildungsprozess: Sobald Sie die Schwelle erreicht haben, scheint das Hinzufügen von mehr Energie keinen großen Effekt mehr zu haben", sagte er Velkovska. "Ich denke, du kannst nicht perfekter als perfekter werden!"

Die Physiker haben nicht nur festgestellt, dass das Quark-Gluon-Plasma eine Flüssigkeit ist, sondern sie haben auch festgestellt, dass es sich nahezu um eine perfekte Flüssigkeit handelt: Dies ist eine Flüssigkeit ohne Viskosität, die ohne Widerstand fließt. Wenn Sie eine perfekte Flüssigkeit in ein Glas einrühren und das Glas abstellen, dreht sich die Flüssigkeit weiter, solange sie nicht zerstört wird.

Merkwürdigerweise ist das Phänomen, das den Eigenschaften der heißesten bekannten Flüssigkeit am ähnlichsten ist, eine der kältesten bekannten Flüssigkeiten: Lithiumatome, die mit einem als Laserfalle bezeichneten Gerät auf Temperaturen von einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden. Wenn diese ultrakalten Atome aus der Falle entlassen werden, verhalten sie sich ebenfalls wie eine perfekte Flüssigkeit mit einer Viskosität nahe Null.

"Dies sind beide stark gekoppelte Systeme. Dies scheint eine aufstrebende Eigenschaft solcher Systeme zu sein", schloss Velkovska.