Razbijanjem čestica zajedno, fizičari su možda stvorili i najmanju kapljicu tekućine u svemiru - zrnca protone veličine vruće, iskonske juhe.
Ova juha od čestica je kvark-gluonska plazma, tekućina koja je ispunila kosmos tijekom prvih mikrosekundi nakon Velikog praska. To je na trilijuma stupnjeva, a s jedva trenjem lebdi okolo brzinom svjetlosti.
"To je najekstremnija tekućina za koju znamo", rekla je Jacquelyn Noronha-Hostler, teorijska fizičarka sa Sveučilišta Rutgers u New Jerseyju.
Fizičari su se prije sukobili u česticama kako bi stvorili ovu iskonsku juhu, a neki eksperimenti sugeriraju da određeni sudari stvaraju kapljice male poput protona. U novom radu objavljenom 10. prosinca u časopisu Nature Physics, fizičari iz Pionirskog eksperimenta za nuklearnu interakciju s visokom energijom (PHENIX) izvijestili su što je možda najuvjerljiviji dokaz da takve kapljice mogu biti tako sitne.
"Doista nas tjera da preispitamo svoje razumijevanje interakcija i uvjeta ove vrste kapljica", rekao je Jamie Nagle, fizičar sa Sveučilišta Colorado Boulder koji je analizirao podatke u najnovijim eksperimentima. Rezultati bi mogli pomoći fizičarima da bolje razumiju kvark-gluonsku plazmu ranog svemira i prirodu tekućina.
"To znači da moramo ponovno napisati svoje znanje o tome što znači biti fluid", rekla je Noronha-Hostler, koja nije bila dio novih eksperimenata, za Live Science.
Eksperimenti su izvedeni na relativističkom teškom ionskom sudaraču (RHIC) u Brookhaven National Laboratory u New Yorku, gdje su fizičari stvorili prvu kvark-gluon plazmu 2005. godine tako što su zajedno raspadnuli atomska jezgra. Kvark je temeljna čestica koja čini protone i neutrone, koji zauzvrat čine atomska jezgra. Gluoni su čestice koje nose silu i koje između jakih sila drže kvarkove u protonu ili neutronu, jednu od osnovnih prirodnih sila.
Fizičari su prethodno pretpostavili da kapljice kvark-gluonske plazme moraju biti relativno velike, rekla je Noronha-Hostler. Da bi kapljica tekla poput tekućine, razmišljanje je išlo, objekt mora biti puno veći od sastavnih čestica. Primjerice, tipična kap vode mnogo je veća od vlastitih molekula vode. S druge strane, maleni nakupine, recimo, tri ili četiri pojedinačne molekule vode ne bi se ponašale poput tekućine, mislili su istraživači.
Kako bi kapljice kvark-gluonske plazme bile što veće, fizičari RHIC-a usitnili su velika atomska jezgra poput zlata, koja proizvode kapljice slične veličine - oko 10 puta veće od protona. No fizičari su otkrili da su, prilikom sudara manjih čestica, neočekivano otkrili nagovještaje kapljica tekućine protonske veličine - na primjer, u sudarima protona koji su se dogodili na Velikom hadronskom sudaraču u blizini Ženeve.
Da bi otkrili mogu li ove sitne kapljice doista postojati, fizičari koji pokreću PHENIX detektor na RHIC-u ispaljivali protone; jezgre deuterona, od kojih svaka sadrži proton i neutron; i jezgre helija-3 u zlatnim jezgrama. Ako bi ti sudari formirali kapljice tekućine iz kvark-gluonske plazme, zaključili su znanstvenici, kapljice bi imale različite oblike, ovisno o tome u koju će zlatnu jezgru udariti. Udaranje u proton stvorilo bi okruglu kapljicu; deuteron bi proizveo eliptičnu kapljicu, a helij-3 napravio bi trokutastu kapljicu.
Takva bi kapljica živjela samo 100 milijardi milijardi sekundi sekunde prije nego što bi intenzivna vrućina uzrokovala da se kapljica tako brzo širi da je eksplodirala u naletu drugih čestica.
Mjereći ove krhotine čestica, istraživači su rekonstruirali izvornu kapljicu. Tražili su eliptične i trokutaste oblike u svakoj od tri vrste sudara, izvršivši ukupno šest mjerenja. Eksperimenti su trajali nekoliko godina, a na kraju su istraživači otkrili sjajne oblike, sugerirajući da sudara stvaraju kapljice veličine protona.
"Uz čitav niz od šest mjerenja, teško je postojati drugačije objašnjenje osim slike kapljica", rekao je Nagle za Live Science.
Iako su rezultati uvjerljivi, Noronha-Hostler je rekla da još nije posve sigurna. Još uvijek su potrebna bolja mjerenja mlazeva koji izbijaju od sudara čestica. Kad bi se stvorile sitne kapljice tekućine, udarci između zlatnih jezgara i protona, deuterona ili heiluma-3 trebali su stvoriti čestice velike brzine koje su formirale mlazove, a koje bi se zatim ispuhale kroz novostvorene kapljice kvark-gluon. Dok je mlaz zviždao kroz tekućinu, izgubila bi energiju i usporila, poput metka koji putuje kroz vodu.
No do sada, mjerenja pokazuju da mlazovi nisu izgubili toliko energije koliko se predviđalo. Budući eksperimenti, poput nadograđene verzije PHENIX-a koja bi trebala biti predstavljena 2023. godine, trebali bi fizičarima bolje razumjeti što se događa - i sigurno utvrditi mogu li tako sitne kapljice, rekao je Noronha-Hostler.
