Natuurkundigen hebben drie verschillende vormen van quark-gluon-plasmablokken gemaakt met behulp van de Relativistic Heavy Ion Collider in Brookhaven National Laboratory. Dit plasma is een exotische materie die het heelal vulde in de eerste milliseconden na de oerknal.
(Afbeelding: © Javier Orjuela Koop)
De eerste fractie van een seconde na de oerknal was het universum niets anders dan een extreem hete "soep" van quarks en gluonen - subatomaire deeltjes die de bouwstenen zouden worden van protonen en neutronen. Nu, 13,8 miljard jaar later, hebben wetenschappers deze oersoep opnieuw gemaakt in een laboratorium.
Met behulp van de Relativistic Heavy Ion Collider in het Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, genereerden natuurkundigen kleine druppels van dit quark-gluon-plasma door verschillende combinaties van protonen en neutronen tegen elkaar te slaan. Tijdens deze crashes braken de quarks en gluonen waaruit de protonen en neutronen bestaan, los en gedroegen zich als een vloeistof, vonden de onderzoekers.
Afhankelijk van welke combinatie van deeltjes de onderzoekers tegen elkaar sloegen, vormden de minuscule, vloeistofachtige klontjes plasma een van de drie verschillende geometrische vormen: cirkels, ellipsen of driehoeken. [Afbeeldingen: Terugkijken naar de oerknal en het vroege heelal]
"Ons experimentele resultaat heeft ons veel dichter bij het beantwoorden van de vraag gebracht wat de kleinste hoeveelheid vroege universum materie is die kan bestaan", zei Jamie Nagle, een fysicus aan de Universiteit van Colorado Boulder die deelnam aan de studie, in een verklaring.
Quark-gluon-plasma's werden voor het eerst gemaakt in Brookhaven in 2000, toen onderzoekers de kernen van goudatomen tegen elkaar sloegen. Vervolgens trotseerden wetenschappers van de Large Hadron Collider in Genève de verwachtingen toen ze het plasma creëerden door twee protonen tegen elkaar te slaan. "Dat was verrassend omdat de meeste wetenschappers dachten dat eenzame protonen niet genoeg energie konden leveren om iets te maken dat als een vloeistof kon stromen", zeiden UC Boulder-functionarissen in de verklaring.
Nagle en zijn collega's besloten de vloeibare eigenschappen van deze exotische materie te testen door er kleine klodders van te maken. Als het plasma zich echt als een vloeistof gedraagt, moeten de kleine klodders hun vorm kunnen behouden, voorspelden de onderzoekers.
'Stel je voor dat je twee druppels hebt die uitzetten in een vacuüm', zei Nagle. 'Als de twee druppels echt dicht bij elkaar liggen, lopen ze elkaar tegen het lijf en duwen ze tegen elkaar aan, en dat is wat dit patroon creëert.'
"Met andere woorden, als je twee stenen dicht bij elkaar in een vijver gooit, zullen de rimpelingen van die inslagen in elkaar overvloeien en een patroon vormen dat lijkt op een ellips," zeiden UC Boulder-functionarissen. "Hetzelfde zou waar kunnen zijn als je een proton-neutronenpaar, een deuteron genaamd, in iets groters zou breken ... Evenzo zou een proton-proton-neutron-trio, ook bekend als een helium-3-atoom, kunnen uitgroeien tot iets vergelijkbaars tot een driehoek. "
Door deze verschillende combinaties van protonen en neutronen dicht bij de lichtsnelheid in goudatomen te rammen, konden de onderzoekers precies doen wat ze hoopten: elliptische en driehoekige klodders quark-gluonplasma maken. Toen de wetenschappers een enkel proton in het gouden atoom sloegen, was het resultaat een cirkelvormige klodder van de oersoep.
Deze kortstondige druppels quark-gluonplasma bereikten temperaturen van biljoenen graden Celsius. Onderzoekers denken dat het bestuderen van dit soort materie 'theoretici zou kunnen helpen beter te begrijpen hoe het originele quark-gluonplasma in milliseconden afkoelde, waardoor de eerste atomen die er waren geboren werden', zeiden UC Boulder-functionarissen.
De resultaten van deze studie werden op 10 december gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.
