Genom att krossa partiklar kan fysiker ha skapat den minsta droppen vätska i universum - en protonstor pärla av het, primordial soppa.
Denna partikelsoppa är kvark-gluonplasma, vätskan som fyllde kosmos under de första mikrosekunderna efter Big Bang. Det är på biljoner grader, och med knappast någon friktion svänger det runt i närheten av ljusets hastighet.
"Det är den mest extrema vätska som vi känner till," sa Jacquelyn Noronha-Hostler, en teoretisk fysiker vid Rutgers University i New Jersey.
Fysiker har kolliderat partiklar för att skapa denna ursprungliga soppa tidigare, och vissa experiment har föreslagit att vissa kollisioner producerar små droppar som protoner. I en ny artikel som publicerades 10 december i tidskriften Nature Physics, rapporterade fysiker från Pioneering High Energy Nuclear Interaction Experiment (PHENIX) vad som kan vara det mest övertygande beviset ännu att sådana droppar kan vara så små.
"Det får oss verkligen att tänka om vår förståelse för interaktioner och förhållanden för denna typ av droppflöde," sade Jamie Nagle, en fysiker vid University of Colorado Boulder som analyserade data i de senaste experimenten. Resultaten kan hjälpa fysiker att bättre förstå kvark-gluonplasma i det tidiga universum och vätskans natur.
"Det betyder att vi måste skriva om vår kunskap om vad det betyder att vara en vätska," berättade Noronha-Hostler, som inte var en del av de nya experimenten, Live Science.
Experimenten gjordes vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory i New York, där fysiker skapade den första kvark-gluonplasmaen 2005 genom att slå atomkärnor ihop. Kvarken är den grundläggande partikeln som utgör protoner och neutroner, som i sin tur utgör atomkärnor. Gluoner är de kraftbärande partiklarna som håller kvarkar samman i en proton eller neutron via den starka kraften, en av de grundläggande krafterna i naturen.
Fysiker antog tidigare att droppar av kvark-gluonplasma måste vara relativt stora, sade Noronha-Hostler. För att en dropp flyta som en vätska gick tanken, objektet måste vara mycket större än dess beståndsdelar. En typisk vattendroppe är till exempel mycket större än sina egna vattenmolekyler. Å andra sidan skulle en liten klump av, till exempel, tre eller fyra enskilda vattenmolekyler inte bete sig som en vätska, trodde forskare.
Så för att göra droppar av kvark-gluonplasma så stor som möjligt, smällde fysiker vid RHIC samman stora atomkärnor som guld, som producerar droppar av liknande storlek - ungefär tio gånger större än en proton. Men fysikerna fann att när de kolliderade mindre partiklar upptäckte de oväntat antydningar av vätskedroppar i protonstorlek - till exempel i kollisioner mellan protoner vid Large Hadron Collider nära Genève.
För att ta reda på om dessa små droppar faktiskt skulle kunna existera avfyrade fysiker som kör PHENIX-detektorn vid RHIC-protonerna; deuteronkärnor, som var och en innehåller en proton och en neutron; och helium-3-kärnor vid guldkärnor. Om dessa kollisioner bildade vätskedroppar av kvark-gluonplasma, resonerade forskarna, skulle dropparna ha olika former beroende på vad guldkärnorna träffade. Att slå en proton skulle skapa en rund droppe; en deuteron skulle producera en elliptisk droppe och helium-3 skulle göra en triangulär droppe.
En sådan droppare skulle leva bara 100 miljarder miljarder sekund innan intensiv värme skulle leda till att droppen expanderar så snabbt att den exploderade i en flur av andra partiklar.
Genom att mäta detta partikelavfall rekonstruerade forskarna den ursprungliga droppen. De letade efter elliptiska och triangulära former i var och en av de tre typerna av kollisioner, och gjorde totalt sex mätningar. Experimenten tog flera år, och i slutändan upptäckte forskarna de kända formerna, vilket tyder på att kollisionerna skapade droppar av protonstorlek.
"Med en full uppsättning av sex mätningar är det svårt att det finns en annan förklaring förutom droppbilden," sa Nagle till Live Science.
Resultaten är övertygande, men Noronha-Hostler sa att hon inte är helt säker än. Forskare behöver fortfarande bättre mätningar av strålarna som bryter ut från partikelkollisionerna. Om de små vätskedropparna skulle bildas, skulle påverkan mellan guldkärnorna och protonerna, deuteronerna eller heilum-3 ha producerat partiklar med hög hastighet som bildade strålar, som sedan skulle ha sprängt genom de nyligen skapade quark-gluondropparna. När strålen susade genom vätskan skulle den ha tappat energi och bromsat ner, som en kula som reser genom vatten.
Men hittills visar mätningarna att jetserna inte tappade så mycket energi som förutsagt. Framtida experiment, såsom den uppgraderade versionen av PHENIX som planeras lanseras 2023, bör hjälpa fysiker att bättre förstå vad som händer - och bestämma med säkerhet om sådana små droppar kan existera, sa Noronha-Hostler.
