Ved at smadre partikler sammen kan fysikere muligvis have skabt den mindste dråbe væske i universet - en protonstørrelse perle af varm, primordial suppe.
Denne partikelsuppe er quark-gluon plasma, væsken, der fyldte kosmos i løbet af de første mikrosekunder efter Big Bang. Det er i billioner af grader, og med næsten ingen friktion svinger det rundt i nærheden af lysets hastighed.
”Det er den mest ekstreme væske, vi kender til,” sagde Jacquelyn Noronha-Hostler, en teoretisk fysiker ved Rutgers University i New Jersey.
Fysikere har kollideret partikler for at skabe denne oprindelige suppe før, og nogle eksperimenter har antydet, at visse kollisioner producerer små dråber som protoner. I en ny artikel, der blev offentliggjort 10. december i tidsskriftet Nature Physics, rapporterede fysikere fra det banebrydende højenergi-nuklear interaktion eksperiment (PHENIX), hvad der måske er det mest overbevisende bevis på, at sådanne dråber endnu kan være så små.
"Det får os virkelig til at overveje vores forståelse af interaktion og betingelser for denne form for dråbe-strømning," sagde Jamie Nagle, en fysiker ved University of Colorado Boulder, der analyserede data i de seneste eksperimenter. Resultaterne kunne hjælpe fysikere med bedre at forstå quark-gluon plasma i det tidlige univers og væskernes art.
"Det betyder, at vi er nødt til at omskrive vores viden om, hvad det betyder at være en væske," fortalte Noronha-Hostler, som ikke var en del af de nye eksperimenter, til Live Science.
Eksperimenterne blev udført på Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i New York, hvor fysikere skabte det første quark-gluon-plasma i 2005 ved at smide atomkerner sammen. Kvarken er den grundlæggende partikel, der udgør protoner og neutroner, som igen udgør atomkerner. Gluoner er de kraftbærende partikler, der holder kvarker sammen i en proton eller neutron via den stærke kraft, en af de grundlæggende kræfter i naturen.
Fysikere antog tidligere, at dråber af quark-gluon-plasma måtte være relativt store, sagde Noronha-Hostler. For en dråbe at flyde som en væske, gik tænkningen, objektet måtte være meget større end dets bestanddele. En typisk dråbe vand er for eksempel meget større end dens egne vandmolekyler. På den anden side ville en lille klump af, for eksempel, tre eller fire individuelle vandmolekyler ikke opføre sig som en væske, mente forskere.
Så for at gøre dråber af quark-gluon-plasma så stort som muligt smækkede fysikere ved RHIC sammen store atomkerner, såsom guld, der producerer dråber af lignende størrelse - cirka 10 gange større end en proton. Men fysikerne fandt, at når de kolliderede mindre partikler, de uventet opdagede antydninger af protonstørrelse af væskedråber - for eksempel i kollisioner mellem protoner udført i Large Hadron Collider nær Genève.
For at finde ud af, om disse små dråber faktisk kunne eksistere, fyrede fysikere PHENIX-detektoren ved RHIC-protoner; deuteron-kerner, som hver indeholder en proton og en neutron; og helium-3 kerner ved guldkerner. Hvis disse kollisioner dannede væskedråber af quark-gluon-plasma, resumeede forskerne, ville dråberne have forskellige former afhængigt af, hvad guldkernerne ramte. At ramme en proton ville skabe en rund dråbe; en deuteron ville producere en elliptisk dråbe, og helium-3 ville fremstille en trekantet dråbe.
En sådan dråbe ville leve i kun 100 milliarder milliarddele af et sekund, før intens varme ville få dråben til at ekspandere så hurtigt, at den eksploderede i en fyld af andre partikler.
Ved at måle dette partikelrester rekonstruerede forskerne den originale dråbe. De kiggede efter elliptiske og trekantede former i hver af de tre typer kollisioner og foretog seks samlede målinger. Eksperimenterne tog flere år, og i sidste ende opdagede forskerne de kendte former, hvilket antydede, at kollisionerne skabte dråber i protonstørrelse.
"Med et komplet sæt på seks målinger er det svært for der at være en anden forklaring bortset fra dråbe-billedet," sagde Nagle til Live Science.
Mens resultaterne er overbevisende, sagde Noronha-Hostler, at hun ikke er helt sikker endnu. Forskere har stadig brug for bedre målinger af jetflyene, der bryder ud fra partikelkollisionerne. Hvis de små dråber med væske dannede sig, skulle påvirkningen mellem guldkernerne og protonerne, deuteronerne eller heilum-3 have produceret højhastighedspartikler, der dannede jetfly, som derefter ville have sprængt gennem de nyligt oprettede quark-gluon-dråber. Da jetjet susede gennem væsken, ville den have mistet energi og bremset som en kugle, der kørte gennem vandet.
Men indtil videre viser målinger, at jetflyene ikke mistede så meget energi som forudsagt. Fremtidige eksperimenter, såsom den opgraderede version af PHENIX, der er planlagt til lancering i 2023, skulle hjælpe fysikere med at forstå, hvad der foregår - og bestemme med sikkerhed, om sådanne små dråber kan eksistere, sagde Noronha-Hostler.
