Столкновения ядер золота, проведённые на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC, выявили необычное изменение характеристик рождающихся частиц. Вместо плавной зависимости от энергии столкновения наблюдалось снижение корреляций между поперечными импульсами частиц с последующим ростом. Такой провал может указывать на критическую точку — особый режим, в котором ядерная материя меняет характер перехода из одного состояния в другое.
Сигнал обнаружил эксперимент STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории в штате Нью-Йорк. Его статистическая значимость достигла пяти сигм: при условии плавного изменения показателя случайное появление настолько выраженного провала ожидалось бы примерно один раз на 3,5 млн случаев. Однако исследователи подчёркивают, что результат пока остаётся указанием на возможную критическую точку, а не её доказательством. Работа опубликована 22 сентября в журнале Physical Review Letters.
Протоны и нейтроны состоят из кварков, связанных глюонами посредством сильного взаимодействия. При достаточно высокой температуре или плотности они переходят в кварк-глюонную плазму — горячую смесь свободных кварков и глюонов, которая, как считается, заполняла Вселенную в первые миллисекунды после Большого взрыва. Изучение свойств этой плазмы помогает понять, как она остыла и превратилась в протоны и нейтроны обычного вещества.
Физики стремятся определить уравнение состояния ядерной материи, связывающее её давление, температуру и плотность. Для воды такие зависимости показывают, при каких условиях вещество замерзает, кипит или расширяется, а для ядерной материи они описывают поведение вещества в наиболее экстремальных состояниях, включая условия в ядрах нейтронных звёзд. Теоретики предполагают, что у ядерной материи существует критическая точка: при высоких температурах переход в кварк-глюонную плазму происходит постепенно, а при большей плотности может быть резким.
Для поиска этого режима команда STAR изучила около 1 млрд столкновений при энергиях от 3 до 7,7 ГэВ на пару сталкивающихся протонов или нейтронов. Эти значения относятся к нижней части диапазона RHIC, достигающего 200 ГэВ; на самых низких энергиях использовалась мишенная схема, при которой пучок ядер золота попадал в тонкую золотую фольгу внутри детектора. Учёные измеряли, насколько сильно заряженные частицы разлетаются в стороны, и проверяли, меняются ли их поперечные импульсы согласованно.
В центральных столкновениях обнаруженный провал не воспроизвела компьютерная модель, в которой критическая точка отсутствует, хотя общий характер зависимости она передала. В периферийных столкновениях похожий эффект оказался слишком слабым для самостоятельного подтверждения. Как сообщил Live Science соавтор исследования Рутхик Маникандхан, следующим этапом станет определение теплоёмкости горячей материи, сравнение результатов с расчётами на суперкомпьютерах и проверка сигнала по другим моделям и измерениям; уверенный вывод о существовании критической точки можно будет сделать только при согласии разных методов.
Подпись: Центральная часть трёхэтажного детектора STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC. С его помощью учёные изучали условия ранней Вселенной. Источник: Brookhaven National Laboratory.