Durch die Kollision schwerer Atomkerne entsteht eine flüssigkeitsähnliche Suppe aus den Grundbausteinen sichtbarer Materie, Quarks und Gluonen. Diese Suppe hat eine sehr geringe Viskosität – ein Maß für ihre „Klebrigkeit“ oder ihren Fließwiderstand.
Theoretiker haben die erste systematische Untersuchung darüber durchgeführt, ob und wie sich diese Viskosität über einen weiten Bereich von Kollisionsenergien ändert. Die Arbeit berücksichtigt Änderungen, die stattfinden, wenn die kollidierenden Kerne sich gegenseitig durchdringen. Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Die Berechnungen sagen voraus, dass die Viskosität der Flüssigkeit mit der Nettobaryonendichte zunimmt – der relativen Häufigkeit von Baryonen (Teilchen aus drei Quarks, wie die Neutronen und Protonen, aus denen die kollidierenden Kerne bestehen) im Vergleich zu Antibaryonen (die bei der Kollision entstehen).
Diese Analyse ermittelte die besten Parameter, um neue Simulationen an experimentelle Daten aus Kollisionen von Goldkernen bei unterschiedlichen Energien anzupassen. Sie sagte eine erhöhte Viskosität mit zunehmender Nettobaryonendichte voraus. Dies stimmt mit einigen, aber nicht allen theoretischen Vorhersagen überein. In Zukunft werden Wissenschaftler denselben theoretischen Rahmen verwenden, um zusätzliche Daten aus einer Reihe von Kollisionsenergien einzubeziehen.
Diese erweiterten Simulationen werden nicht nur Informationen über Viskositäten liefern. Sie werden auch Daten über das gesamte Phasendiagramm der Kernmaterie liefern, das aufzeigt, wie sich Kernmaterie in Abhängigkeit von Temperatur und Baryonendichte von Feststoffen über Flüssigkeiten und Gase bis hin zu Plasma unterscheidet.
Diese Arbeit kombiniert modernste viskose Fluiddynamik-Simulationen in allen drei Raumdimensionen mit neu entwickelten dynamischen Modellen der Anfangsphase der Kollisionen, um Schwerionenkollisionen im Relativistischer Schwerionenbeschleuniger (RHIC), eine Nutzereinrichtung des Energieministeriums, über einen weiten Bereich von Kollisionsenergien.
Die Berücksichtigung der Entwicklung des Anfangszustands ermöglicht die kontinuierliche Erzeugung flüssiger Kernmaterie, wenn die kollidierenden Kerne einander durchdringen. Dies ist insbesondere bei niedrigeren Strahlenergien wichtig, bei denen die Annahme einer sofortigen Kollision nicht gültig ist.
In dieser Forschung verwendete ein Team von Theoretikern vom Brookhaven National Laboratory, dem Lawrence Berkeley National Laboratory, der University of California, Berkeley und der Wayne State University dieses vielseitige Modell, um Ereignis-für-Ereignis-Berechnungen durchzuführen, die Schwankungen in der anfänglichen Geometrie der kollidierenden Kerne und der daraus resultierenden Form des erzeugten Feuerballs berücksichtigen.
Die Forscher variierten und beschränkten die Parameter des Modells, zu denen die Viskositäten der erzeugten Materie sowie die Eigenschaften des Anfangszustands gehören, um eine statistische Analyse mit Eingaben aus experimentellen Daten durchzuführen, die während des Beam Energy Scan (BES) des RHIC gesammelt wurden.
Diese datengesteuerte Analyse der Abhängigkeit von Viskositäten von der Nettobaryonendichte basierte auf 5 Millionen numerisch simulierten Kollisionsereignissen. Forscher können diese Analyse nun mit rein theoretischen Berechnungen vergleichen. Derselbe Rahmen kann auf Messungen aus BES Phase II am RHIC und an der zukünftigen Einrichtung für Antiprotonen- und Ionenforschung (FAIR) in Europa angewendet werden.
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Chun Shen et al, Viskositäten des baryonenreichen Quark-Gluon-Plasmas aus Strahlenergie-Scandaten, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.072301