模拟显示旋转环 亚原子汤中的漩涡状结构

在它开始时，宇宙是一个超级大熔炉，它非常简单地提供了一种类似“完美”无摩擦液体的颗粒汤。科学家们在高能核碰撞中重新创造了这种称为夸克 - 胶子等离子体的“汤”，以更好地了解我们宇宙的起源和物质本身的本质。物理学也可能与中子星相关，中子星是坍缩恒星的极其密集的核心。

现在，由包括伯克利实验室物理学家在内的国际研究团队进行的强大的超级计算机模拟原子核碰撞，提供了关于这种汤的扭曲，漩涡状结构及其内部工作原理的新见解，并且还点亮了一条道路实验如何证实这些特征。这项工作发表在11月1日的“ 物理评论快报”上。

重要，解构

这种汤含有解构的物质成分，即被称为夸克的基本粒子和称为胶子的其他粒子，通常将夸克结合形成其他粒子，例如在原子核心处发现的质子和中子。在这种充满异国情调的等离子体状态 - 可以达到数万亿华氏度，比太阳的核心温度高几十万倍 - 质子和中子融化，从原子中心的通常范围内释放出夸克和胶子。

这些创纪录的高温是通过在布鲁克海文国家实验室的RHIC(相对论重离子对撞机)碰撞金核和CERN的LHC(大型强子对撞机)的铅核来实现的。RHIC的实验在2005年发现，夸克 - 胶子等离子体表现得像流体。除了金核，RHIC还被用于碰撞质子，铜和铀。大型强子对撞机在2014年开始进行重离子实验，并证实夸克 - 胶子等离子体表现得像流体。

关于这种短暂的等离子体状态的内部运作仍然存在许多谜团，这种状态在新生儿宇宙中可能只存在百万分之一秒，核物理学家正在使用理论，模拟和实验的混合来收集关于这一点的新细节。亚原子汤。

等离子体结构令人惊讶的复杂性

“在我们精密的模拟中，我们发现这种等离子体的结构比我们意识到的要多得多，”伯克利实验室核科学部的理论家王新年说，他在高能物理学方面工作了多年。核碰撞。

当在两个维度上绘制时，模拟发现，重核的略微偏离中心的碰撞会产生摆动和膨胀的流体，Wang说，局部旋转以类似螺旋状的方式扭曲。

这种螺旋形特征与产生等离子体的碰撞原子核的特性有关，模拟显示沿着和垂直于光束方向扩展。就像用手指轻弹硬币一样，模拟结果表明，碰撞原子核的角动量特性可以将旋转特性转化为夸克胶子等离子体，形成旋涡状环状结构，称为涡旋。

模拟显示这些环形涡流中的两个 - 每个都围绕碰撞核的单独光束的每个方向具有右手取向 - 以及沿着等离子体的最长维度的许多对相反取向的涡流。这些环形特征类似于旋转烟环，是流体经典研究中的常见特征，这一领域称为流体动力学。

模拟还揭示了等离子体中热点的图案向外流动，类似于车轮的辐条。王说，模拟所涵盖的时间尺度无限小，大致是光到达10-20个质子所需的时间。在此期间，摆动的液体像火球一样爆炸，从中间向外喷射颗粒汤的速度比从顶部喷出的速度快。

任何对夸克 - 胶子等离子体特性的新认识都应该有助于解释来自原子碰撞实验的数据，Wang说，并指出在模拟中出现的几个局部甜甜圈结构“完全出乎意料”。

解开一个谜

“我们可以认为这是打开一个全新的窗口，看看夸克 - 胶子等离子体，以及如何研究它们，”他说。“希望这将为理解为什么这种夸克 - 胶子流体是如此完美的流体提供了另一个途径 - 为什么这样做的本质仍然是一个难题。这项工作不仅有益于理论，还有实验。”

模拟提供了更多的证据表明夸克 - 胶子等离子体表现得像流体，而不是曾经理论化的气体。“你能描述的唯一方法就是粘度非常小，”或几乎没有摩擦，这就是所谓的“完美液体”或“基本液体”的特征，“王说。但不像熟悉的液体如水，模拟的重点是比水分子小数百倍的流体状态。

俄亥俄州立大学的物理学教授迈克尔丽莎是RHIC(STAR)支持Solenoidal Tracker的合作的一部分，他表示这种等离子体的所谓涡度或“旋涡结构”从未通过实验测量过，尽管这是最新的理论工作可能有助于回家。STAR旨在研究夸克 - 胶子等离子体的形成和特征。

“王和他的合作者开发了一种先进的，最先进的夸克 - 胶子等离子体流体动力学模型，并确定了在流体本身内变化的旋流结构，”他说。“更有用的是，他们提出了一种在实验室中测量这些结构的方法。”

Lisa还表示正在进行分析工作，以确认模拟在RHIC和LHC实验数据中的发现。“这正是这样的创新，理论与实验合作探索新现象，对于更深入地了解夸克 - 胶子等离子体有着最大的希望，”他说。

“许多工具已用于探测这种独特物质的内部工作机制和对称性质，”STAR合作的发言人和布鲁克海文国家实验室的一名科学家科学家张旭旭说。他还表示，STAR的初步结果也表明流体中存在一些旋转运动，模拟工作为这种可能性“增加了新的维度”。