Zupa kwarkowo-gluonowa – egzotyczna ciecz o małej lepkości

Energie zderzeń cząstek elementarnych osiągane w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) pod Genewą są niekiedy tak wielkie, że nawet te cząstki nie wytrzymują i rozpadają się na fragmenty. Teoria mówi, że ciężkie cząstki takie jak proton, składają się z kwarków i łączących je gluonów. Taką mieszaninę cząstek uzyskuje się w wyniku zderzania protonów i neutronów rozpędzanych do niewyobrażalnych prędkości. W rzeczywistości zderzane są jądra atomowe złożone z protonów i neutronów. Powstaje w ten sposób plazma kwarkowo-gluonowa zwana czasem zupą kwarkowo-gluonową. Jej nową teorię, bardziej szczegółową od dotychczasowych stworzyli fizycy z Polski i USA. Teoria ta przewiduje, że nasza zupa kwarkowo-gluonowa powinna mieć dużo mniejszą lepkość niż dotychczas sądzono.

Lepkość jest własnością, opisującą tarcie występujące między dwiema warstwami płynu przepływającymi z różnymi prędkościami. Z kolei kwarki są podstawowym budulcem protonów i neutronów. Ich oddziaływania, zwane silnymi, są dość ciekawe a mianowicie: są tym silniejsze, im dalej od siebie kwarki się znajdują. Kwarki przyciągają się tak, jakby były złączone sprężynami. Sprężyny bowiem działają tym silniej, im bardziej są rozciągane. Zamiast sprężyn, oddziaływanie między kwarkami przenoszą inne cząstki nazwane gluony od angielskiego słowa glue, czyli klej. Sklejają one bowiem kwarki ze sobą. Mimo tak niezwykłego oddziaływania, energia zderzeń wykonanych w akceleratorze LHC była na tyle wielka, że udało się rozerwać te wiązania.

„W fizyce przepływy cieczy są opisane przy użyciu równań hydrodynamicznych. Przy stosowaniu najprostszych wersji tych równań do opisu ewolucji plazmy kwarkowo-gluonowej przewidywania są dość spójne z pomiarami dokonanymi podczas zderzeń w LHC. Na pierwszy rzut oka zupa kwarkowo-gluonowa wydaje się zachowywać się zgodnie z oczekiwaniami. Kiedy jednak przyjrzymy się uważnie, szybko staje się oczywiste, że mamy do czynienia z bardzo złożonym zjawiskiem „- mówi dr Radosław Żółkiewski z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Matematyczny opis płynu zakłada, że ​​płyn jest doskonały, czyli pozbawiony lepkości. Ponieważ nie ma doskonałych płynów w przyrodzie, wprowadzono różne korekty w celu poprawienia dokładności równań hydrodynamicznych. Jednakże uzyskane warianty hydrodynamiki płynu lepkiego oparte są na dalszych uproszczeniach – na przykład ciśnienie w płynie zmienia się w ten sam sposób we wszystkich kierunkach (prawo Pascala).

Problem polegał na tym, że plazma kwarkowo-gluonowa byłą produkowana w bardzo specyficzny sposób: w wyniku kolizji jąder atomowych zbliżających z przeciwnych kierunków przy prędkościach zbliżonych do prędkości światła, w wyniku czego płyn utworzony przez kwarki i gluony początkowo porusza się wzdłuż kierunku poruszania się wiązek, a dopiero wtedy zaczyna się ochładzać i rozrzedzać we wszystkich kierunkach.

Podczas tworzenia modelu skala problemu wzrasta jeszcze bardziej, gdy próbujemy wziąć pod uwagę fakt, że na początku procesu płyn jest różny niż na końcu – ponieważ po ochłodzeniu kwarki stopniowo zaczynają się łączyć. Polscy fizycy zaczęli opracowywać bardziej szczegółowy model zjawiska: hydrodynamikę anizotropową, zbudowaną na założeniu, że system nie zachowuje się w ten sam sposób we wszystkich kierunkach.
Ostatni model teoretyczny, zbudowany na bazie hydrodynamiki anizotropowej, został właśnie przedstawiony w Physical Review Letters. Jednym z najciekawszych wniosków jest niewielka lepkość, jaką ma zupa kwarkowo-gluonowej. Ta lepkość okazuje się być sześciokrotnie mniejsza niż wskazują obliczenia numeryczne na podstawie innych modeli opartych na hydrodynamice lepkiego płynu.
W przeciwieństwie do poprzednich równań, w pewnych przypadkach, nowe równania mogą być rozwiązane z praktycznie każdym poziomem dokładności. Łącząc ich prognozy z danymi z innych modeli i wielokrotnie porównując je z rzeczywistymi pomiarami eksperymentu ALICE w LHC, polsko-amerykański zespół badaczy wykazał, że hydrodynamika anizotropowa jest obecnie najbardziej dokładnym opisem zjawisk zachodzących w plazmie kwarkowo-gluonowej.

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz