Door deeltjes samen te breken, hebben natuurkundigen mogelijk de kleinste druppel vloeistof in het universum gecreëerd - een kraal van protonen ter grootte van hete, oersoep.
Deze deeltjessoep is quarkgluonplasma, de vloeistof die de kosmos vulde tijdens de eerste microseconden na de oerknal. Het is op biljoenen graden en met nauwelijks enige wrijving slingert het rond met de snelheid van het licht.
'Het is de meest extreme vloeistof die we kennen', zegt Jacquelyn Noronha-Hostler, een theoretisch natuurkundige aan de Rutgers University in New Jersey.
Natuurkundigen hebben eerder deeltjes in botsing gebracht om deze oersoep te maken, en sommige experimenten hebben gesuggereerd dat bepaalde botsingen druppeltjes produceren die zo klein zijn als protonen. In een nieuw artikel dat op 10 december in het tijdschrift Nature Physics werd gepubliceerd, rapporteerden natuurkundigen van het Pioneering High Energy Nuclear Interaction Experiment (PHENIX) wat misschien wel het meest overtuigende bewijs is dat dergelijke druppeltjes zo klein kunnen zijn.
"Het zet ons echt aan om ons begrip van de interacties en omstandigheden van dit soort druppelstroom te heroverwegen", zegt Jamie Nagle, een natuurkundige aan de Universiteit van Colorado in Boulder die gegevens analyseerde in de meest recente experimenten. De resultaten zouden fysici kunnen helpen het quark-gluon-plasma van het vroege heelal en de aard van vloeistoffen beter te begrijpen.
"Het betekent dat we onze kennis moeten herschrijven over wat het betekent om een vloeistof te zijn", vertelde Noronha-Hostler, die geen deel uitmaakte van de nieuwe experimenten, aan WordsSideKick.com.
De experimenten werden uitgevoerd bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) van het Brookhaven National Laboratory in New York, waar natuurkundigen in 2005 het eerste quark-gluonplasma creëerden door atoomkernen tegen elkaar te slaan. De quark is het fundamentele deeltje dat protonen en neutronen vormt, die op hun beurt atoomkernen vormen. Gluonen zijn de krachtdragende deeltjes die quarks bij elkaar houden in een proton of neutron via de sterke kracht, een van de fundamentele krachten van de natuur.
Natuurkundigen gingen er eerder van uit dat druppels quark-gluonplasma relatief groot moesten zijn, zei Noronha-Hostler. Om een druppel als een vloeistof te laten stromen, ging het denken, het object moest veel groter zijn dan de samenstellende deeltjes. Een typische waterdruppel is bijvoorbeeld veel groter dan zijn eigen watermoleculen. Aan de andere kant zou een kleine klomp van bijvoorbeeld drie of vier afzonderlijke watermoleculen zich niet als een vloeistof gedragen, dachten onderzoekers.
Dus om druppels quark-gluonplasma zo groot mogelijk te maken, sloegen natuurkundigen van het RHIC grote atoomkernen zoals goud samen, die druppeltjes van vergelijkbare grootte produceren - ongeveer 10 keer groter dan een proton. Maar de natuurkundigen ontdekten dat wanneer ze kleinere deeltjes botsten, ze onverwacht hints van vloeistofdruppels van protonformaat ontdekten - bijvoorbeeld bij botsingen tussen protonen bij de Large Hadron Collider bij Genève.
Om erachter te komen of deze kleine druppeltjes inderdaad zouden kunnen bestaan, vuurden natuurkundigen die de PHENIX-detector bij de RHIC uitvoerden protonen af; deuteronkernen, die elk een proton en een neutron bevatten; en helium-3-kernen op gouden kernen. Als deze botsingen vloeistofdruppels van quark-gluonplasma zouden vormen, redeneerden de wetenschappers, zouden de druppels verschillende vormen hebben, afhankelijk van wat de goudkernen raken. Een proton raken zou een ronde druppel creëren; een deuteron zou een elliptische druppel produceren en helium-3 zou een driehoekige druppel maken.
Zo'n druppel zou slechts 100 miljard miljardste van een seconde leven voordat intense hitte de druppel zo snel zou doen uitzetten dat hij explodeerde in een vlaag van andere deeltjes.
Door dit deeltjesafval te meten, hebben de onderzoekers de oorspronkelijke druppel gereconstrueerd. Ze zochten naar elliptische en driehoekige vormen in elk van de drie soorten botsingen, en maakten in totaal zes metingen. De experimenten duurden enkele jaren en uiteindelijk ontdekten de onderzoekers de veelbetekenende vormen, wat suggereert dat de botsingen druppeltjes van protonformaat veroorzaakten.
"Met een volledige set van zes metingen is het moeilijk voor een andere verklaring behalve de druppelfoto", vertelde Nagle aan WordsSideKick.com.
Hoewel de resultaten overtuigend zijn, zei Noronha-Hostler dat ze het nog niet helemaal zeker weet. Onderzoekers hebben nog steeds betere metingen nodig van de stralen die uit de deeltjesbotsing komen. Als er zich kleine druppeltjes vloeistof hadden gevormd, zouden de inslagen tussen de gouden kernen en de protonen, deuteronen of heilum-3 hogesnelheidsdeeltjes moeten hebben geproduceerd die stralen vormden, die dan door de nieuw gecreëerde quark-gluondruppeltjes zouden zijn gestraald. Terwijl de jet door de vloeistof suisde, zou hij energie hebben verloren en vertraagd zijn, als een kogel die door water reist.
Maar tot nu toe laten metingen zien dat de jets niet zoveel energie verloren als voorspeld. Toekomstige experimenten, zoals de geüpgradede versie van PHENIX die gepland staat in 2023, zouden natuurkundigen moeten helpen beter te begrijpen wat er aan de hand is - en zeker te bepalen of zulke kleine druppeltjes kunnen bestaan, zei Noronha-Hostler.
