4. oktober 2018

Det tidlige univers: Begyndelsen var flydende

Partikelfysik:

Forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og deres kolleger fra det internationale ALICE samarbejde har for nylig lavet kollisioner med Xenon atomkerner i et forsøg på at få større indsigt i Quark-Gluon plasmaets (QGP) egenskaber. QGP er navnet på – det stof, som universet bestod af indtil et mikrosekund efter Big Bang. Det beskriver en særlig tilstand, som elementarpartiklerne, kvarkerne, og de partikler, der binder dem sammen, gluonerne, befandt sig i. Resultatet blev opnået ved at ALICE eksperimentet og den 27 km lange superledende Large Hadron Collider (LHC) på CERN. Eksperimentets resultater er nu publiceret i Physics Letters B.

Xenon-Xenon kollisioner i Large Hadron Collider
Fig 1. En begivenhed fra en af de første Xenon-Xenon kollisioner i Large Hadron Collider ved maximal energi, som er registeret af ALICE. Alle de farvede baner (de blå linjer), beskriver de ladede partikles baner, som er resultatet af en enkelt kollision. Fig. 2. Illustration af begrebet anisotropisk partikelfordeling i relativistiske tung-ions kollisioner. Anisotropien i fordelingen af skabte partikler afspejler formen af den røde mikrodråbe.

Begyndelsen var en væske

Partikelfysikerne ved Niels Bohr Institutet har opnået nye resultater i arbejdet ved LHC, hvor de  bly-ioner, man almindeligvis benytter til at skabe kollisioner med, blev byttet ud med Xenon-ioner. Xenon er et ”mindre” atom med færre nukleoner, dvs. protoner og neutroner, i sin kerne. I kollisioner med ioner laver forskerne en ildkugle, som genskaber de tilstande, som universet befandt sig i i sin umiddelbare begyndelse, med temperaturer på over flere tusind milliarder grader. Men til forskel fra universets begyndelse er levetiden for de mikrodråber af QGP, som produceres i laboratoriet, ultrakort, en meget lille brøkdel af et sekund (10-22 sekunder). Under disse forhold er tætheden af kvarker og gluoner meget høj og et særlig stof skabes, hvor kvarker og gluoner flyder  næsten frit mellem hinanden – en tilstand man kalder den stærkt vekselvirkende  QGP. Eksperimenterne afslører, at det allertidligste stof, opførte sig som en væske, der kan beskrives videnskabeligt med hydrodynamiske termer. Viskositeten af væsken kan måles og viser sig at være tæt på den teoretisk lavest mulige (perfekt væske).

Hvordan man nærmer sig ”skabelsesøjeblikket”

”En af de udfordringer vi har er, at vi kun har adgang til information om slutplaceringen af de mange partikler, der aflæses i eksperimenterne i kollisioner med tunge ioner – men vi vil meget gerne vide, hvad der sker i begyndelsen af kollisionerne og i de første, korte øjeblikke umiddelbart efter”, forklarer You Zhou, Postdoc i forskergruppen Eksperimentel Subatomar fysik ved Niels Bohr Institutet. ”Vi har udviklet nye og effektive værktøjer til at undersøge egenskaberne af de små mikrodråber af QGP (det tidlige univers), som vi genskaber i eksperimenterne”. Disse bygger på studiet af den rumlige fordeling af de mange tusinde partikler, som spredes ud fra kollisionerne efter at kvarker og gluoner igen har samlet sig i de partikler, som universet består af i dag. Fordelingen afspejler ikke bare kollisionens geometri i kollisionsøjeblikket, men fortæller os også om QGPens egenskaber. De kan betragtes  som et hydrodynamisk flow. ”Transportegenskaberne af Quark-Gluon plasmaet definerer endvidere den endelige form, som skyen af frigivne partikler danner efter kollisionen, så en forståelse af alle disse elementer er dét, der giver os viden om QGP i selve skabelsesøjeblikket”, siger You Zhou.

To hovedingredienser i suppen: Geometri og viskositet

Graden af den anisotropiske partikelfordeling– det faktum, at der er flere partikler i nogle retninger end i andre – afspejler tre forskellige egenskaber: Den første er, som nævnt, kollisionens allerførste geometri eller form. Den anden er de tilstande, der er mest fremherskende indeni de kolliderende nukleoner. Den tredje er forskydningsviskositeten i selve Quark-Gluon plasmaet. Forskydningsviskositeten er et udtryk for væskens modstand mod at flyde, en nøgleegenskab ved det stof, der skabes. ”Det er en af de vigtigste egenskaber i Quark-Gluon plasmaet”, forklarer You Zhou, ”fordi det fortæller os om den styrke, gluonerne binder kvarkerne sammen med”.

Xenon eksperimenterne giver vital information til at udfordre eksisterende teorier og modeller ”Med de nye Xenon eksperimenter har vi sat skarpe grænser for  de teoretiske modeller, som skal kunne beskrive resultatet. Uanset hvad de indledende betingelser er, bly eller xenon, skal en teori kunne beskrive dem begge. Hvis fx teorien beskriver en særlig viskositet i Quark-Gluon plasmaet, skal den passe på begge sæt af data på samme tid”, siger You Zhou. Mulighederne for at få mere indsigt i de reelle egenskaber ved ”ursuppen”, er derfor væsentligt forbedrede med de nye eksperimenter. Holdet har planer om at kollidere andre nukleare systemer for yderligere at skærpe kravene til fysikken og teorierne, men dette vil kræve udvikling af nye LHC partikelstråler.

Videnskab er ikke en ensom affære, tværtimod

”Det er en fælles indsats fra hele det internationale ALICE samarbejde, som består af mere end 1800 forskere fra 41 lande og 178 videnskabelige institutioner, der har skabt resultatet”, understreger You Zhou.

Læs mere: ALICE Collaboration, “Anisotropic flow in Xe–Xe collisions at √sNN =5.44 TeV”, Physics Letters B784 (2018) 82