 Насколько маленькой может стать капелька, оставаясь при этом в жидком состоянии?
Этот экзистенциальный вопрос был поднят в серии экспериментов, проведенных на Большом адронном коллайдере и коллайдере релятивистских ионов, что столкнуть различные атомные частицы вместе почти со скоростью света, чтобы создать крошечные капли кварк-глюонной плазмы, которая, как предполагают космологи преобладало во вселенной за микросекунды после Большого Взрыва.
В 2010 году БАК успешно создан субатомные сгустки кварк-глюонной плазмы, сталкивая ионы свинца вместе. Сталкивание этих двух массивных ионов уже привело к огромным температурам, которые в более 250000 раз выше, чем в ядре Солнца, и которые необходимы для образования изначального состояния вещества.
К сожалению, физики не имеют прямого способа для измерения количества частиц в кварк-глюонной плазме, поэтому они используют ряд субатомных частиц, которые создаются, при испарении плазмы в качестве меры их размера.
Ионы свинца имеют очень большие размеры (на атомном уровне), каждый из которых содержит сотни протонов и нейтронов. Когда вы они сталкиваются вместе на очень высокой скорости, они генерируют капли плазмы, которые производят тысячи частиц, при их остывании. Но когда БАК перешел на протон-ионные столкновения свинец, ученые не думали, что столкновения будут содержать достаточно энергии для производства плазмы.
Тем не менее, один из исследователей провел детальные измерения поведения частиц, образующихся в этих небольших столкновениях и обнаружил, что они фактически производили жидкие капли, имеющие около одной десятой размера, и производимые столкновениями ионов свинца.
Одним из ключевых свойств жидкости является способность к протеканию. Если смотреть с точки зрения отдельных частиц в жидкости, то способность к протеканию означает, что каждая частица оказывает силу притяжения на своих соседей, которая является достаточно сильной, чтобы воздействовать на их движение, но недостаточно сильной, чтобы заблокировать их вместе, как в твердом теле. Поэтому их движения являются согласованными, и когда они выпускаются из контейнера, они сохраняют информацию о форме контейнера. Измерения показали, что небольшое число частиц, образующихся в протон-свинцовых столкновениях, возникло на эллипсоидальных поверхностях мелких капель кварк-глюонной плазмы.
Из-за трудностей, связанных с вычислительными способностями физики обычно рассматривают эти корреляции между парами частиц, но исследователи БАК зашли на несколько шагов вперед. Они искали корреляцию между группами из четырех, шести и восьми частиц. В некоторых случаях, они пошли к вычислению корреляции между всеми частицами в том или ином столкновении.
Чтобы увидеть, что произошло при еще более высоких энергиях, исследователи использовали коллайдер частиц, разбивая ионы свинца вместе, а затем, неожиданно, проводя протон-свинцовые столкновений.
Результаты протон-свинцовых столкновений побудили повторно анализировать данные, которые были собраны ранее в 2000 году, когда коллайдер разбил ионы дейтерия (протон-нейтронные пары) и ионы золота вместе на значительно более низкие энергии, чем в БАК. Повторный анализ обнаружил, что протон-нейтронные пары сформировали две горячие точки в ионах золота при столкновении, которые затем объединились в удлиненную каплю кварк-глюонной плазмы.
Исследователи решили проверить это путем добавления нового эксперимента, в котором ионы гелия (два протона и нейтрон) сталкивались с ионами золота, и обнаружили, что произошло то же самое произошло, за исключением того, что три горячие точки формируются и объединены в капли кварк-глюонной плазмы.
Физики не только обнаружили, что кварк-глюонная плазма является жидкостью, но и установили, что она является почти совершенной жидкостью. Она представляет собой жидкость с нулевой вязкостью, которая течет без сопротивления. Если поместить идеальную жидкость в стакан и поставить его, то жидкость будет продолжать циркулировать вокруг тех пор, пока с ней что-то не произойдет.
Любопытно, что это явление, которые больше всего напоминает свойства самой горячей известной жидкости, является одной из самых холодных известных жидкостей: атомами лития, которые были охлаждены до температуры одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля, используя устройство лазерной ловушки. После освобождения из ловушки эти ультра-холодные атомы ведут себя как идеальная жидкость с почти нулевой вязкостью. |
