Durch das Zusammenschlagen von Partikeln haben Physiker möglicherweise das kleinste Flüssigkeitstropfen im Universum erzeugt - eine protonengroße Perle heißer, ursprünglicher Suppe.
Diese Partikelsuppe ist Quark-Gluon-Plasma, die Flüssigkeit, die den Kosmos in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall füllte. Es ist bei Billionen von Grad und mit kaum Reibung schwirrt es mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herum.
"Es ist die extremste Flüssigkeit, die wir kennen", sagte Jacquelyn Noronha-Hostler, eine theoretische Physikerin an der Rutgers University in New Jersey.
Physiker haben zuvor Teilchen kollidiert, um diese ursprüngliche Suppe herzustellen, und einige Experimente haben vorgeschlagen, dass bestimmte Kollisionen Tröpfchen erzeugen, die so klein wie Protonen sind. In einem neuen Artikel, der am 10. Dezember in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde, berichteten Physiker des Pioneering High Energy Nuclear Interaction Experiment (PHENIX), was der bisher überzeugendste Beweis dafür sein könnte, dass solche Tröpfchen so winzig sein können.
"Es bringt uns wirklich dazu, unser Verständnis der Wechselwirkungen und Bedingungen dieser Art von Tröpfchenströmung zu überdenken", sagte Jamie Nagle, Physiker an der Universität von Colorado Boulder, der Daten in den jüngsten Experimenten analysierte. Die Ergebnisse könnten Physikern helfen, das Quark-Gluon-Plasma des frühen Universums und die Natur von Flüssigkeiten besser zu verstehen.
"Es bedeutet, dass wir unser Wissen darüber, was es bedeutet, eine Flüssigkeit zu sein, neu schreiben müssen", sagte Noronha-Hostler, der nicht Teil der neuen Experimente war, gegenüber Live Science.
Die Experimente wurden am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) des Brookhaven National Laboratory in New York durchgeführt, wo Physiker 2005 das erste Quark-Gluon-Plasma durch Zusammenschlagen von Atomkernen erzeugten. Der Quark ist das Grundteilchen, aus dem Protonen und Neutronen bestehen, die wiederum Atomkerne bilden. Gluonen sind die krafttragenden Teilchen, die Quarks in einem Proton oder Neutron über die starke Kraft, eine der Grundkräfte der Natur, zusammenhalten.
Physiker gingen früher davon aus, dass Tröpfchen aus Quark-Gluon-Plasma relativ groß sein müssen, sagte Noronha-Hostler. Damit ein Tröpfchen wie eine Flüssigkeit fließen konnte, musste das Objekt viel größer sein als seine Partikelbestandteile. Ein typischer Wassertropfen ist beispielsweise viel größer als seine eigenen Wassermoleküle. Andererseits würde sich ein winziger Klumpen von beispielsweise drei oder vier einzelnen Wassermolekülen nicht wie eine Flüssigkeit verhalten, dachten die Forscher.
Um die Tröpfchen aus Quark-Gluon-Plasma so groß wie möglich zu machen, schlugen die Physiker des RHIC große Atomkerne wie Gold zusammen, die Tröpfchen ähnlicher Größe produzieren - etwa zehnmal größer als ein Proton. Die Physiker stellten jedoch fest, dass sie bei der Kollision kleinerer Partikel unerwartet Hinweise auf Flüssigkeitströpfchen in Protonengröße entdeckten - beispielsweise bei Kollisionen zwischen Protonen, die am Large Hadron Collider in der Nähe von Genf durchgeführt wurden.
Um herauszufinden, ob diese winzigen Tröpfchen tatsächlich existieren könnten, haben Physiker, die den PHENIX-Detektor an den RHIC-Protonen betreiben, Protonen abgefeuert. Deuteronkerne, die jeweils ein Proton und ein Neutron enthalten; und Helium-3-Kerne an Goldkernen. Wenn diese Kollisionen Flüssigkeitströpfchen aus Quark-Gluon-Plasma bilden würden, so die Wissenschaftler, würden die Tröpfchen je nach dem, was die Goldkerne treffen, unterschiedliche Formen haben. Das Schlagen eines Protons würde ein rundes Tröpfchen erzeugen; Ein Deuteron würde ein elliptisches Tröpfchen erzeugen, und Helium-3 würde ein dreieckiges Tröpfchen bilden.
Ein solches Tröpfchen würde nur 100 Milliarden Milliardstel Sekunden leben, bevor intensive Hitze dazu führen würde, dass sich das Tröpfchen so schnell ausdehnt, dass es in einer Flut anderer Partikel explodiert.
Durch Messung dieser Partikelreste rekonstruierten die Forscher das ursprüngliche Tröpfchen. Sie suchten nach elliptischen und dreieckigen Formen in jeder der drei Arten von Kollisionen und führten insgesamt sechs Messungen durch. Die Experimente dauerten mehrere Jahre, und am Ende entdeckten die Forscher die verräterischen Formen, was darauf hindeutete, dass die Kollisionen Tröpfchen in Protonengröße erzeugten.
"Bei einem vollständigen Satz von sechs Messungen ist es schwierig, eine andere Erklärung als das Tröpfchenbild zu finden", sagte Nagle gegenüber Live Science.
Während die Ergebnisse überzeugend sind, sagte Noronha-Hostler, sie sei sich noch nicht ganz sicher. Die Forscher benötigen noch bessere Messungen der Jets, die durch die Partikelkollisionen entstehen. Wenn sich die winzigen Flüssigkeitströpfchen gebildet hätten, hätten die Einschläge zwischen den Goldkernen und den Protonen, Deuteronen oder Heilum-3 Hochgeschwindigkeitsteilchen erzeugen müssen, die Strahlen bildeten, die dann durch die neu erzeugten Quark-Gluon-Tröpfchen gesprengt worden wären. Als der Strahl durch die Flüssigkeit sauste, hätte er Energie verloren und wäre langsamer geworden wie eine Kugel, die durch Wasser fliegt.
Bisherige Messungen zeigen jedoch, dass die Jets nicht so viel Energie verloren haben wie vorhergesagt. Zukünftige Experimente, wie die aktualisierte Version von PHENIX, die 2023 veröffentlicht werden soll, sollen den Physikern helfen, besser zu verstehen, was vor sich geht - und sicher feststellen, ob solche winzigen Tröpfchen existieren können, sagte Noronha-Hostler.
