Gdy płyn płynie niemal tak szybko jak światło
– i kwantowo wiruje
21 czerwca 2018
EurekAlert!: [http://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-06/thni-wff062118.php]
Ultrarelatywistyczny przepływ plazmy kwarkowo-gluonowej ze spinem. Po lewej stan początkowy układu, po prawej – wynik ewolucji hydrodynamicznej. Strzałki w dolnej płaszczyźnie pokazują linie przepływu plazmy. Zaczerwieniony obszar to rejon spolaryzowanych cząstek, który ewoluuje zgodnie z przepływem materii. Górne wykresy przedstawiają profile temperatury plazmy. (Źródło: IFJ PAN)
Plazma kwarkowo-gluonowa tworzy się w wyniku wysokoenergetycznych zderzeń ciężkich jonów. Ten najdoskonalszy ze znanych płynów przez kilkanaście joktosekund (to 24 zera po przecinku!) po zderzeniu podlega gwałtownej hydrodynamicznej ekspansji z prędkościami bliskimi prędkości światła. Międzynarodowy zespół naukowców, powiązany z IFJ PAN i ośrodkiem GSI, przedstawił nowy model opisujący tak ekstremalne przepływy. Co ciekawe, po raz pierwszy uwzględniono tu efekty wynikające z faktu, że tworzące plazmę cząstki niosą spin, a więc kwantowo wirują.
Każdy proton i każdy neutron składa się z kilku kwarków zlepionych oddziaływaniami silnymi przenoszonymi przez cząstki pośredniczące nazywane gluonami. Gdy zbudowane z protonów i neutronów ciężkie jony, rozpędzone do prędkości bardzo bliskich prędkości światła, zderzają się ze sobą, zwykle ulegają zniszczeniu przekształcając się w egzotyczny płyn: plazmę kwarkowo-gluonową. Z uwagi na swą znikomą lepkość, plazma ta jest uznawana za najdoskonalszy płyn we Wszechświecie. Nowe pomiary eksperymentalne sugerują jednak, że cząstki opuszczające plazmę wykazują nietrywialne uporządkowanie kierunku spinu. W celu wytłumaczenia tych wyników, grupa naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie oraz z ośrodka badań ciężkich jonów GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung w Darmstadt (Niemcy) zaprezentowała nowy model relatywistycznych przepływów plazmy kwarkowo-gluonowej, uwzględniający zjawiska powstające wskutek kwantowego wirowania tworzących ją cząstek.
Dziesiątki mikrosekund po Wielkim Wybuchu plazma kwarkowo-gluonowa wypełniała cały Wszechświat. Ostygła jednak błyskawicznie i gluony pozlepiały kwarki w grupki – cząstki, z których jest zbudowany nasz świat. W rezultacie kwarkowo-gluonowy płyn można dziś obserwować tylko jako efekt zderzeń ciężkich jonów o bardzo dużych energiach. Zderzenia tego typu przeprowadza się obecnie w zaledwie kilku ośrodkach akceleratorowych na świecie.
Przepływami cieczy i gazów zajmuje się hydrodynamika, dziedzina rozwijana od wieków. Po pojawieniu się teorii względności klasyczną hydrodynamikę rozszerzono o zjawiska relatywistyczne, występujące wtedy, gdy płyn płynie z prędkościami bliskimi prędkości światła. Po narodzinach teorii kwantowej hydrodynamikę z czasem rozbudowano także o opisy przepływów cząstek ze spinem.
Spin jest cechą cząstek elementarnych związaną z własnościami ich funkcji falowych względem operacji obrotu. Może przyjmować jedynie dyskretne wartości, np. 0, 1/2, 1, 3/2 itp. Kierunek spinu cząstek o spinie 1/2 może być równy +1/2 lub -1/2 względem dowolnej osi. Niezerowa polaryzacja cząstek o spinie 1/2 oznacza, że wyprodukowane cząstki chętniej przyjmują jeden kierunek spinu (+1/2 albo -1/2).
„Hydrodynamika to doskonałe narzędzie opisu wielu zjawisk fizycznych. My poszerzyliśmy jej zakres stosowalności. Jako pierwsi przedstawiliśmy spójny opis relatywistycznych przepływów cząstek ze spinem 1/2
”, wyjaśnia prof. dr hab. Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMMI), który we współpracy z grupą prof. Bengta Frimana (GSI) opracował nowy model przepływów.
Prace nad modelem relatywistycznych przepływów ze spinem zostały zainspirowane niedawnymi pomiarami polaryzacji spinów cząstek znanych jako hiperony Lambda (są to zlepki trzech kwarków: górnego, dolnego i dziwnego, o całkowitym spinie 1/2), rejestrowanych w zderzeniach ciężkich jonów. Fizycy od dawna wykonywali eksperymenty, w których próbowano lepiej poznać polaryzację hiperonów Lambda. Pomiary były jednak obarczone znaczną niepewnością. Dopiero niedawno w doświadczeniach zrealizowanych w Brookhaven National Laboratory na Long Island w pobliżu Nowego Jorku wykazano, że spiny hiperonów Lambda tworzących się w zderzeniach ciężkich jąder rzeczywiście są spolaryzowane.
Od dłuższego czasu wiadomo, że spin obiektu kwantowego wnosi wkład do jego całkowitego momentu pędu. Na przykłąd w materiałach ferromagnetycznych można zaobserwować efekt Einsteina-de Haasa: gdy niespolaryzowany układ zostanie umieszczony w polu magnetycznym, spiny tworzących go cząstek zaczynają się orientować zgodnie z polem magnetycznym, a to oznacza, że żeby zachować całkowity moment pędu układ musi zacząć się obracać. Zaobserwowanie polaryzacji hiperonów Lambda powstających w wyniku przekształceń plazmy kwarkowo-gluonowej wskazuje więc na trudną do pominięcia rolę spinu w kształtowaniu przepływu tejże plazmy.
Model zaprezentowany przez grupę fizyków z IFJ PAN i GSI to uogólnienie hydrodynamiki płynu doskonałego. Ponieważ w opisywanych układach występuje spin, w opisie teoretycznym należało uwzględnić zasadę zachowania momentu pędu.
„Tak jak temperatura jest związana z zasadą zachowania energii, prędkość z zasadą zachowania pędu, a potencjał elektryczny z zasadą zachowania ładunku, tak w opisywanych przez nas układach polaryzacja spinu jest związana z zasadą zachowania momentu pędu. Gdy się uwzględnia tę zasadę, otrzymuje się dodatkowe równania, lepiej opisujące ewolucję układu
”, tłumaczy prof. Florkowski.
Plazma kwarkowo-gluonowa jest tak egzotycznym stanem materii, że jeszcze przez dziesiątki, a może nawet setki lat nie będzie mowy o jej technologicznych zastosowaniach. Opisywane badania mają jednak już dziś ważne implikacje. Relatywistyczne przepływy cząstek ze spinem są bowiem nowym oknem na świat oddziaływań silnych, które wiążą kwarki m.in. w protonach i neutronach. Oddziaływania silne pełnią więc we Wszechświecie ogromnie ważną rolę, są jednak niezwykle skomplikowane do opisu. Dlatego badacze mają nadzieję, że w relatywistycznych przepływach ze spinem będzie można te oddziaływania poznać nieco lepiej.
Przedstawione badania były współfinansowane m.in. z środków ExtreMe Matter Institute (EMMI), który działa przy ośrodku badań ciężkich jonów GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung w Darmstadt (Niemcy).
[PDF]
Kontakt:
prof. dr hab. Wojciech Florkowski
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8469
email: wojciech.florkowski@ifj.edu.pl
Prace naukowe:
„Relativistic fluid dynamics with spin”
W. Florkowski, B. Friman, A. Jaiswal, E. Speranza;
Physical Review C 97, 041901(R);
DOI: http://doi.org/10.1103/PhysRevC.97.041901
Materiały graficzne:
Ultrarelatywistyczny przepływ plazmy kwarkowo-gluonowej ze spinem. Po lewej stan początkowy układu, po prawej – wynik ewolucji hydrodynamicznej. Strzałki w dolnej płaszczyźnie pokazują linie przepływu plazmy. Zaczerwieniony obszar to rejon spolaryzowanych cząstek, który ewoluuje zgodnie z przepływem materii. Górne wykresy przedstawiają profile temperatury plazmy. (Źródło: IFJ PAN)