O nouă teorie descrie deplasarea quarcurilor grei prin plasma quark-gluon
În prima fracțiune de secundă după Big Bang, materia a existat ca o plasmă de quarci și gluoni, încălzită la aproximativ un trilion de grade, cu particule care se mișcau aproape cu viteza luminii. Această stare a dăinuit doar câteva microsecunde, până când particulele s-au combinat în protoni și neutroni stabili. Pentru a studia acest fluid primordial, cercetătorii recreează plasma quark-gluon în acceleratoare de particule, ciocnind ioni la viteze apropiate de cea a luminii. Rezultă picături de plasmă de dimensiunea unui nucleu atomic, care există doar zeci de septilionimi de secundă.
O metodă de investigare constă în urmărirea altor particule, precum quarcii grei, care nu fac parte din plasmă, dar o traversează. Modul în care o particulă grea se mișcă printr-un fluid ar trebui să dezvăluie structura microscopică a fluidului. Această relație a fost stabilită de Albert Einstein în 1905, însă în condiții atât de extreme, cu particule care se deplasează aproape cu viteza luminii, teoria sa nu mai acoperă toate interacțiunile din plasmă.
Depășirea modelului brownian clasic
Jean Du Plessis, doctorand în cadrul Centrului de Fizică Teoretică al MIT, și Bruno Scheihing-Hitschfeld, de la Institutul Kavli pentru Fizică Teoretică al Universității din California, Santa Barbara, au dezvoltat o teorie care prezice cum este împinsă și trasă o particulă relativistă de către un fluid prin care trece. Rezultatele au fost publicate în Physical Review Letters.
Teoria lui Einstein despre mișcarea browniană, inspirată de observațiile botanistului Robert Brown asupra grăunților de polen care se agită în apă, arăta că mișcarea unei particule este un echilibru între rezistența fluidului și impulsurile aleatorii provenite din forțele microscopice ale atomilor și moleculelor. Acest echilibru este reprezentat printr-o distribuție de probabilitate în formă de clopot, cu impulsuri de intensitate medie cele mai probabile și impulsuri extreme la fel de puțin probabile în ambele sensuri.
„Einstein a arătat că rezistența și impulsurile aleatorii trebuie să se echilibreze în așa fel încât particula să ajungă la aceeași temperatură cu mediul înconjurător”, explică Du Plessis. „Pentru tipurile de fluide la care se gândea el, avea dreptate. Dar pentru particulele care se mișcă la viteze relativiste, această relație nu mai funcționează. Știm de 20 de ani că lipsește ceva.”
O curbă asimetrică
Cercetătorii au calculat forțele pe care le-ar resimți un quarc greu dacă ar traversa un fluid la viteze apropiate de cea a luminii, pornind de la interacțiunile slabe dintr-un gaz de quarci și gluoni. Calculul a produs o curbă a modificărilor de impuls care este în formă de clopot doar pentru impulsurile mici. Pentru quarcii grei relativisti, curbă prezintă o asimetrie: cozile de la cele două capete sunt inegale.
„Imaginea browniană obișnuită presupune că impulsurile mari devin extrem de rare”, spune Du Plessis. „Pentru quarcii grei, însă, aceste impulsuri rare sunt mai frecvente decât prevede curba clopotului și nu sunt la fel de probabile în direcții opuse: un impuls mare care încetinește quarcul mai mult decât ar prezice rezistența este mai probabil decât un impuls la fel de mare care l-ar accelera.”
Aceeași curbă asimetrică a apărut indiferent de compoziția plasmei și fusese deja ascunsă într-un calcul anterior privind o plasmă cu cuplaj puternic. „Este prima dată când această structură aparent universală a fost identificată și formalizată”, afirmă Du Plessis. Potrivit cercetătorului, plasma quark-gluon primordială este probabil „mai puternic interactivă decât ar sugera modelarea prin mișcare browniană. Se comportă mai mult ca un lichid și mai puțin ca un gaz”.
