Нейтронные звезды во Вселенной, ультрахолодные атомные газы в лаборатории и кварк-глюонная плазма, возникающая в результате столкновений атомных ядер на Большом адронном коллайдере (БАК): они могут показаться совершенно не связанными друг с другом, но, как ни удивительно, у них есть что-то общее. Все они представляют собой жидкое состояние материи, состоящее из сильно взаимодействующих частиц. Понимание свойств и поведения любой из этих почти идеальных жидкостей может стать ключом к пониманию природы в масштабах, которые различаются на порядки величин.
В новой статье коллаборация CMS сообщает о наиболее точном на сегодняшний день измерении скорости звука в кварк-глюонной плазме, предлагая новое понимание этого чрезвычайно горячего состояния материи.
Звук — это продольная волна, распространяющаяся через среду, вызывающая сжатие и разрежение материи в том же направлении, что и ее движение. Скорость звука зависит от свойств среды, таких как ее плотность и вязкость. Поэтому его можно использовать в качестве зонда среды.
На БАК кварк-глюонная плазма образуется в результате столкновений тяжелых ионов. В этих столкновениях за очень малую долю секунды огромное количество энергии выделяется в объеме, максимальный размер которого равен размеру ядра атома. Кварки и глюоны, возникающие в результате столкновения , свободно движутся внутри этой области, создавая жидкоподобное состояние материи, коллективная динамика и макроскопические свойства которой хорошо описываются теорией.
Скорость звука в этой среде можно получить из скорости изменения давления в ответ на изменения плотности энергии или, альтернативно, из скорости изменения температуры в ответ на изменения энтропии, которая является мерой беспорядка в среде. система.
В столкновениях тяжелых ионов энтропию можно определить по количеству электрически заряженных частиц, испускаемых в результате столкновений. С другой стороны, температуру можно определить по среднему поперечному импульсу (т. е. импульсу, поперечному оси столкновения) этих частиц.
Используя данные столкновений свинца со свинцом при энергии 5,02 триллиона электронвольт на пару нуклонов (протонов или нейтронов), коллаборация CMS впервые измерила, как температура меняется с энтропией в центральных столкновениях тяжелых ионов, в которых ионы сталкиваются лоб в лоб и почти полностью перекрываются.
В результате этого измерения они получили значение скорости звука в этой среде, которое составляет почти половину скорости света и имеет рекордную точность: в единицах скорости света квадрат скорости звука равен 0,241 со статистической неопределенностью. 0,002 и систематическая неопределенность 0,016. Используя средний поперечный импульс, они также определили эффективную температуру кварк-глюонной плазмы, равную 219 миллионам электронвольт (МэВ), с систематической неопределенностью 8 МэВ.
Результаты соответствуют теоретическим ожиданиям и подтверждают, что кварк -глюонная плазма действует как жидкость, состоящая из частиц, несущих огромное количество энергии.
