Збиваючи частинки разом, фізики, можливо, створили найменшу крапельку рідини у Всесвіті - бусинку гарячого первозданного супу розміром з протоном.
Цей суп з частинок - кварково-глюонова плазма, рідина, яка заповнювала космос протягом перших мікросекунд після Великого вибуху. Це при трильйонах градусів, і майже не маючи тертя, він розгойдується навколо зі швидкістю світла.
"Це найбільш екстремальна рідина, про яку ми знаємо", - сказала Жаклін Норонха-Хостлер, фізик-теоретик з університету Рутгерса в Нью-Джерсі.
Фізики раніше стикалися з частинками, щоб створити цей споконвічний суп, і деякі експерименти припустили, що певні зіткнення утворюють крапельки розміром як протони. У новому документі, опублікованому 10 грудня у журналі Nature Physics, фізики з піонерського експерименту з високоенергетичною ядерною взаємодією (PHENIX) повідомили, що може бути найбільш переконливим доказом того, що такі крапельки можуть бути настільки крихітними.
"Це насправді змушує переосмислити своє розуміння взаємодії та умов такого потоку крапель", - сказав Джеймі Нагл, фізик з університету Колорадо Боулдер, який аналізував дані в останніх експериментах. Результати можуть допомогти фізикам краще зрозуміти кварково-глюонову плазму раннього Всесвіту та природу рідин.
"Це означає, що нам доведеться переписати свої знання про те, що означає бути рідиною", - заявила Норонха-Хостлер, яка не була частиною нових експериментів.
Експерименти були проведені на релятивістському важкому іонному колайдері (RHIC) в Національній лабораторії Бруккейвена в Нью-Йорку, де фізики створили першу кварк-глюонну плазму в 2005 році, розбивши атомні ядра. Кварк - основна частинка, яка складається з протонів і нейтронів, які, в свою чергу, складають атомні ядра. Глюони - це силові частинки, які утримують кварки в протоні чи нейтроні через сильну силу, одну з основних сил природи.
Раніше фізики припускали, що крапельки кварково-глюонної плазми повинні бути порівняно великими, зазначив Норонха-Хостлер. Щоб крапелька текла, як рідина, мислення йшло, предмет повинен був бути набагато більшим, ніж складові частинки. Наприклад, типова крапля води набагато більша, ніж її власні молекули води. З іншого боку, крихітна грудка, скажімо, трьох-чотирьох окремих молекул води не поводилася б як рідина, вважають дослідники.
Таким чином, щоб зробити крапельки кварково-глюонної плазми якомога більшими, фізики в РЗІК розбивали між собою великі атомні ядра, такі як золото, які виробляють крапельки подібного розміру - приблизно в 10 разів більше, ніж протон. Але фізики виявили, що при зіткненні дрібніших частинок вони несподівано виявили натяки на краплі рідини протонового розміру - наприклад, у зіткненнях між протонами, здійсненими на Великому адронному колайдері поблизу Женеви.
Щоб дізнатись, чи можуть ці крихітні крапельки існувати насправді, фізики, що запускають детектор PHENIX на протонах RHIC; ядра дейтерона, кожне з яких містить протон і нейтрон; і ядра гелію-3 в ядрах золота. Якби ці зіткнення утворювали крапельки рідини кварково-глюонової плазми, міркували вчені, крапельки мали б різну форму залежно від того, в яке золото потрапляють ядра золота. Попадання в протон створило б круглу крапельку; дейтерон утворював би еліптичну краплю, а гелій-3 робив трикутну крапельку.
Така крапелька жила б лише 100 мільярдів секунди секунди до того, як сильна спека призведе до того, що крапелька розшириться так швидко, що вибухнула в шквалі інших частинок.
Виміривши цей уламки частинок, дослідники реконструювали оригінальну краплю. Вони шукали еліптичні та трикутні форми в кожному з трьох типів зіткнень, зробивши шість загальних вимірювань. Експерименти зайняли кілька років, і врешті-решт дослідники виявили фігури, що припускають, припустивши, що зіткнення створювали краплі розміру протона.
"З повним набором з шести вимірювань важко існувати інше пояснення, крім картини крапельки", - сказав Нагл Live Science.
Хоча результати переконливі, Норонха-Хостлер сказала, що ще не зовсім впевнена. Дослідникам ще потрібні кращі вимірювання струменів, які вивергаються в результаті зіткнення частинок. Якби крихітні крапельки рідини все-таки утворювались, удари між золотими ядрами та протонами, дейтронами чи гелієм-3 мали б утворювати швидкісні частинки, що утворювали струмені, які потім б продували через новостворені крапельки-глюонові краплі. Коли струмінь шипляв через рідину, він би втратив енергію і сповільнився, як куля, що рухається по воді.
Але поки що вимірювання показують, що струмені не втратили стільки енергії, скільки прогнозували. Майбутні експерименти, такі як оновлена версія PHENIX, яка планується запустити в 2023 році, повинні допомогти фізикам краще зрозуміти, що відбувається - і точно визначити, чи можуть існувати такі крихітні крапельки, зазначив Норонха-Хостлер.
