El “fluido perfecto” nos acerca a comprender cómo comenzó nuestro universo

Cómo atrapar una ola perfecta: los científicos observan más de cerca el interior del fluido perfecto

La investigación de Berkeley Lab nos acerca a comprender cómo comenzó nuestro universo.

Los científicos han informado de nuevas pistas para resolver un enigma cósmico: cómo el quark-gluón plasma – fluido perfecto de la naturaleza – evolucionó a materia.

Unas millonésimas de segundo después de la Big Bang, el universo primitivo adquirió un estado nuevo y extraño: una sopa subatómica llamada plasma de quark-gluón.

Y hace solo 15 años, un equipo internacional que incluía a investigadores del grupo Relativistic Nuclear Collisions (RNC) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que este plasma de quark-gluón es un fluido perfecto – en el que los quarks y gluones, los componentes básicos de los protones y neutrones, están tan fuertemente acoplados que fluyen casi sin fricción.

Mach Wave supersónico

Vea el videoclip de lapso de tiempo que muestra una onda de Mach supersónica a medida que evoluciona en un plasma de quark-gluón en expansión. La simulación por computadora proporciona una nueva perspectiva sobre cómo se formó la materia durante el nacimiento del universo temprano. Crédito: Berkeley Lab

Los científicos postularon que chorros de partículas altamente energéticos vuelan a través del plasma de quark-gluones, una gota del tamaño de una átomodel núcleo – a velocidades más rápidas que la velocidad del sonido, y que, como un jet que vuela rápido, emite un boom supersónico llamado onda Mach. Para estudiar las propiedades de estas partículas de chorro, en 2014 un equipo dirigido por científicos de Berkeley Lab fue pionero en una técnica de imágenes de rayos X atómicos llamada tomografía de chorro. Los resultados de esos estudios seminales revelaron que estos chorros se dispersan y pierden energía a medida que se propagan a través del plasma de quarks y gluones.

Pero, ¿dónde comenzó el viaje de las partículas en chorro dentro del plasma de quark-gluón? Una señal de onda de Mach más pequeña llamada estela de difusión, predijeron los científicos, le diría dónde mirar. Pero aunque la pérdida de energía fue fácil de observar, la onda de Mach y la estela de difusión que la acompañó siguieron siendo esquivas.


Este video de 2010 describe colisiones de partículas pesadas en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista del Laboratorio Nacional Brookhaven. En 2005, los físicos del RHIC anunciaron que la materia creada en las colisiones más energéticas del acelerador se comporta como un líquido casi perfecto. Las propiedades de este fluido, el plasma de quark-gluones, nos ayudan a comprender las propiedades de la materia en el universo primitivo. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven

Ahora, en un estudio publicado recientemente en la revista Cartas de revisión física, los científicos del laboratorio de Berkeley informan nuevos resultados de simulaciones de modelos que muestran que otra técnica que inventaron llamada tomografía de chorro 2D puede ayudar a los investigadores a localizar la señal fantasmal de la estela de difusión.

“Su señal es tan pequeña, es como buscar una aguja en un pajar de 10,000 partículas. Por primera vez, nuestras simulaciones muestran que se puede usar la tomografía de chorro 2D para captar las pequeñas señales de la estela de difusión en el plasma de quark-gluón ”, dijo el líder del estudio Xin-Nian Wang, científico senior de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab que formó parte del equipo internacional que inventó la técnica de tomografía jet 2D.

Para encontrar esa aguja supersónica en el pajar de quark-gluones, el equipo del Laboratorio de Berkeley seleccionó cientos de miles de eventos de colisión de núcleos de plomo simulados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en CERN, y eventos de colisión de núcleos de oro en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Algunas de las simulaciones por computadora para el estudio actual se realizaron en las instalaciones para usuarios de supercomputadoras NERSC de Berkeley Lab.

Wang dice que su enfoque único “lo ayudará a deshacerse de todo este heno en su pila, lo ayudará a concentrarse en esta aguja”. La señal supersónica de las partículas de chorro tiene una forma única que parece un cono, con una estela de difusión detrás, como ondas de agua en la estela de un barco en rápido movimiento. Los científicos han buscado evidencia de este “despertar” supersónico porque les dice que hay un agotamiento de partículas. Una vez que la estela de difusión se encuentra en el plasma de quark-gluón, puede distinguir su señal de las otras partículas en el fondo.

Su trabajo también ayudará a los experimentadores del LHC y RHIC a comprender qué señales buscar en su búsqueda para comprender cómo el plasma de quark-gluón, el fluido perfecto de la naturaleza, se convirtió en materia. “¿De qué estamos hechos? ¿Cómo se veía el universo infantil en los pocos microsegundos posteriores al Big Bang? Este es todavía un trabajo en progreso, pero nuestras simulaciones de la tan buscada estela de difusión nos acercan a responder estas preguntas ”, dijo.

Referencia: “Búsqueda de la estela de difusión inducida por chorro elusivo en chorros Z / γ con tomografía de chorro 2D en colisiones de iones pesados ​​de alta energía” por Wei Chen, Zhong Yang, Yayun He, Weiyao Ke, Long-Gang Pang y Xin -Nian Wang, 17 de agosto de 2021, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.082301

Los coautores adicionales fueron Wei Chen, de la Academia de Ciencias de la Universidad de China; Zhong Yang, Universidad Normal de China Central; Yayun He, Universidad Normal de China Central y Universidad Normal de China del Sur; Weiyao Ke, Berkeley Lab y UC Berkeley; y Longgang Pang, Universidad Normal de China Central.

NERSC es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias y la Oficina de Física Nuclear del DOE.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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