«Если мы сможем обнаружить эту критическую точку, то наша карта ядерных фаз – диаграмма ядерных фаз – может найти место в учебниках наряду с картой воды», – сказал Беданга Моханти из Национального института науки и исследований Индии. , один из сотен физиков, участвующих в исследованиях в RHIC с использованием сложного детектора STAR.
Как заметил Моханти, изучение ядерных фаз в некоторой степени похоже на изучение твердых, жидких и газообразных форм воды и отображение того, как происходят переходы в зависимости от таких условий, как температура и давление. Но с ядерной материей нельзя просто поставить кастрюлю на плиту и смотреть, как она закипает.
Вам нужны мощные ускорители частиц, такие как RHIC, чтобы увеличить температуру.
Самые высокие энергии столкновения RHIC «плавят» обычную ядерную материю (атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов), создавая экзотическую фазу, называемую кварк-глюонной плазмой (QGP). Ученые считают, что вся Вселенная существовала как КГП через долю секунды после Большого взрыва – до того, как она остыла и кварки, связанные вместе (склеенные глюонами), образовали протоны, нейтроны и, в конечном итоге, атомные ядра. Но крошечные капли QGP, созданные в RHIC, имеют диаметр всего 10-13 сантиметров (это 0.0000000000001 см) и их хватит всего на 10-23 секунды!
Это делает невероятно сложным составление карты таяния и замерзания вещества, из которого состоит наш мир.
«Строго говоря, если мы не идентифицируем ни фазовую границу, ни критическую точку, мы действительно не сможем поместить эту [фазу QGP] в учебники и сказать, что у нас есть новое состояние материи», – сказал Ню Сюй, ЗВЕЗДА физик Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США.
Отслеживание фазовых переходов
Для отслеживания переходов физики STAR воспользовались невероятной универсальностью RHIC для столкновения ионов золота (ядер атомов золота) в широком диапазоне энергий.
"RHIC – единственный объект, который может это сделать, обеспечивая пучки от 200 миллиардов электрон-вольт (ГэВ) до 3 ГэВ. Никто не может мечтать о такой превосходной машине », – сказал Сюй.
Изменения энергии поворачивают температуру столкновения вверх и вниз, а также изменяют величину, известную как чистая барионная плотность, которая в некоторой степени аналогична давлению.
Глядя на данные, собранные во время первой фазы «сканирования энергии луча» RHIC с 2010 по 2017 год, физики STAR отслеживали частицы, вылетающие при каждой энергии столкновения. Они выполнили подробный статистический анализ чистого количества произведенных протонов.
Ряд теоретиков предсказывали, что эта величина будет демонстрировать большие колебания от события к событию по мере приближения к критической точке.
Причина ожидаемых флуктуаций исходит из теоретического понимания силы, которая управляет кварками и глюонами.
Эта теория, известная как квантовая хромодинамика, предполагает, что переход от нормальной ядерной материи («адронные» протоны и нейтроны) к КГП может происходить двумя разными способами. При высоких температурах, когда протоны и антипротоны образуются парами, а чистая плотность барионов близка к нулю, физики имеют доказательства плавного перехода между фазами.
Как будто протоны постепенно тают, образуя QGP, как масло, постепенно тающее на прилавке в теплый день. Но при более низких энергиях они ожидают так называемого фазового перехода первого рода – резкого изменения, такого как закипание воды при заданной температуре, когда отдельные молекулы покидают горшок, чтобы стать паром. Ядерные теоретики предсказывают, что при фазовом переходе КГП-адронная материя чистое образование протонов должно резко меняться по мере приближения столкновений к этой точке переключения.
"При высокой энергии есть только одна фаза.
Система более-менее инвариантна, нормальна ", – сказал Сюй. «Но когда мы переходим с высокой энергии на низкую, вы также увеличиваете чистую плотность барионов, и структура вещества может измениться по мере того, как вы проходите через область фазового перехода.
«Это похоже на то, как когда вы летите на самолете и попадаете в турбулентность», – добавил он. "Вы видите колебания – бум, бум, бум. Затем, когда вы пройдете турбулентность – фазу структурных изменений – вы вернетесь в нормальное состояние в однофазную структуру."
В данных о столкновениях RHIC признаки этой турбулентности не так очевидны, как еда и напитки, отскакивающие от столов подносов в самолете. Физикам STAR пришлось провести статистический анализ распределений частиц так называемой «корреляционной функции более высокого порядка» – выискивая нечто большее, чем просто среднее значение и ширину кривой, представляющей данные, например, насколько асимметричным и скошенным является это распределение.
По словам ученых, колебания, которые они видят в этих высших порядках, особенно перекос (или эксцесс), напоминают другое известное фазовое изменение, наблюдаемое, когда прозрачный жидкий диоксид углерода внезапно становится мутным при нагревании. Эта «критическая опалесценция» возникает из-за резких колебаний плотности CO2 – вариаций того, насколько плотно упакованы молекулы.
«По нашим данным, колебания означают, что происходит что-то интересное, например, опалесценция», – сказал Моханти.
Тем не менее, несмотря на дразнящие намеки, ученые STAR признают, что диапазон неопределенности в их измерениях все еще велик. Команда надеется сузить эту неопределенность, чтобы достичь своего открытия критической точки, проанализировав второй набор измерений, сделанных на основе гораздо большего количества столкновений во время фазы II сканирования энергии луча RHIC с 2019 по 2021 год.
Сюй отмечает, что в анализе участвовало все сотрудничество STAR с определенной группой физиков, в том числе Сяофэн Луо (и его ученик Ю Чжан), Ашиш Пандав и Тошихиро Нонака из Китая, Индии и Японии соответственно. – еженедельные встречи с U.S. ученые (во многих часовых поясах и виртуальных сетях) для обсуждения и уточнения результатов.
Эта работа также является истинным сотрудничеством экспериментаторов с теоретиками-ядерщиками со всего мира и физиками-ускорителями в RHIC. Последняя группа в отделе ускорителей-коллайдеров Brookhaven Lab разработала способы запустить RHIC намного ниже его расчетной энергии, а также максимизировать частоту столкновений, чтобы обеспечить сбор необходимых данных при низких энергиях столкновения.
«Мы исследуем неизведанную территорию», – сказал Сюй. "Это никогда не было сделано раньше. Мы приложили много усилий, чтобы контролировать окружающую среду и вносить исправления, и мы с нетерпением ждем следующего раунда более высоких статистических данных », – сказал он.