Столкновения золотых ядер на околосветовой скорости выявили неожиданную аномалию в поведении первичной материи

Физики, работающие на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, обнаружили необычную закономерность в разлёте частиц, возникающих при столкновении золотых ядер. Если эти данные подтвердятся, они могут пролить свет на то, как горячий суп из кварков и глюонов, заполнявший Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва, остывал и конденсировался в протоны и нейтроны, из которых сегодня состоит обычная материя.

В каждом столкновении частицы разлетаются в стороны, и то, насколько сильно их отбрасывает, в среднем слегка меняется от столкновения к столкновению. Физики ожидали, что величина этих вариаций будет плавно изменяться при корректировке энергии столкновения. Вместо этого вариации продемонстрировали провал — сначала уменьшились, а затем снова начали расти. Этот провал может быть признаком давно искомой «критической точки» — особого набора условий, при которых ядерная материя меняет способ перехода из одной формы в другую.

Сигнал, зафиксированный экспериментом STAR на коллайдере RHIC, достаточно силён, чтобы вероятность случайного статистического совпадения была крайне мала. Однако исследователи предупреждают, что провал — это интригующий намёк, а не доказательство искомого перехода. Свои выводы они опубликовали 22 сентября в журнале Physical Review Letters.

Свод правил для экстремальной материи

Протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц — кварков, которые удерживаются вместе «сильным взаимодействием», переносимым частицами под названием глюоны. При достаточном нагреве или сжатии протоны и нейтроны плавятся, превращаясь в горячий суп из свободных кварков и глюонов, известный как кварк-глюонная плазма. Считается, что именно этот первобытный суп из частиц заполнял Вселенную в первые миллисекунды после Большого взрыва.

Физики стремятся точно установить, как происходило это «превращение в суп», измеряя так называемое уравнение состояния ядерной материи. «Для воды оно говорит о том, как связаны давление, температура и плотность, а следовательно, когда она замерзает, кипит или расширяется, — рассказал Ратик Маникандан, постдокторант по физике в Университете штата Огайо и соавтор исследования. — Для ядерной материи это основной свод правил для вещества в самых экстремальных условиях в природе, например в ядрах нейтронных звёзд».

Критическая точка — ключевой ориентир в этом своде правил. «Для воды это точка, в которой исчезает граница между жидкостью и паром», — пояснил Маникандан. Теоретики давно подозревают, что у ядерной материи есть аналогичная точка. При чрезвычайно высоких температурах материя плавно и постепенно превращается в кварк-глюонную плазму, но при более высоких плотностях переход может становиться резким.

Критическая точка обозначала бы место, где один тип перехода сменяется другим. Некоторые недавние расчёты помещают эту точку в пределы досягаемости низкоэнергетических столкновений RHIC. «Но всё это пока остаётся предположениями, и ничего конкретного ни от экспериментаторов, ни от теоретиков пока нет», — отметил Маникандан.

Эта работа важна и для космологии. «Поскольку материя, которую мы создаём в этих столкновениях, напоминает материю, заполнявшую Вселенную через несколько микросекунд после Большого взрыва, картирование её поведения помогает нам понять, как Вселенная эволюционировала от горячего супа из кварков и глюонов в протоны и нейтроны, из которых состоит всё сегодня», — сказал Маникандан.

Провал там, где ожидался плавный тренд

Чтобы исследовать эту область, учёные запускали RHIC в диапазоне энергий столкновения. Чем ниже энергия, тем сильнее сжимается сталкивающаяся материя. Для самых низкоэнергетических запусков STAR использовал конфигурацию с «фиксированной мишенью», при которой пучок золотых ядер ударяет по «тонкой золотой фольге, помещённой внутри детектора», вместо второго встречного пучка. Это создаёт самую плотную материю, которую способен получить RHIC.

Энергии столкновений измеряются в электронвольтах — энергии, которую приобретает электрон при ускорении на разности потенциалов в один вольт. Это ничтожно малая величина, поэтому физики элементарных частиц обычно работают в миллиардах электронвольт, или гигаэлектронвольтах (ГэВ). Один ГэВ — это примерно энергия, заключённая в массе одного протона, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна. Команда проанализировала около миллиарда столкновений при энергиях от 3 до 7,7 ГэВ на пару сталкивающихся протонов или нейтронов. Это нижняя граница диапазона RHIC, который достигает 200 ГэВ.

В каждом столкновении команда измеряла, насколько сильно заряженные частицы отбрасываются в стороны из огненного шара — величину, известную как поперечный импульс. Затем исследователи искали корреляции между частицами. Корреляция измеряет, имеют ли два явления тенденцию изменяться вместе. Здесь команда проверяла, склонны ли пары частиц из одного столкновения оба отбрасываться сильнее среднего или оба — мягче. Это раскрывает нечто о огненном шаре в целом. Если огненный шар немного горячее или расширяется с большей силой, все его частицы получают дополнительный боковой толчок вместе.

«Эти корреляции отражают, насколько сильно колеблются температура и поток огненного шара», — сказал Маникандан.

Вблизи критической точки теплоёмкость материи — количество энергии, необходимое для повышения её температуры, — как ожидается, резко возрастает. Это делает температуру огненного шара более устойчивой, поэтому корреляции должны ослабевать. «Если материя приближается к критической точке или фазовому переходу, мы ожидали бы увидеть, что эти корреляции меняются необычным, негладким образом при изменении энергии столкновения», — пояснил Маникандан.

Именно это команда и увидела в самых лобовых столкновениях. «Вместо плавного изменения с энергией корреляции демонстрируют провал», — сказал Маникандан. Исследователи сравнили данные с плавным трендом, опирающимся на более ранние измерения STAR при высоких энергиях. Провал отклоняется от этого тренда со статистической значимостью 5 сигм — стандарт, который физики обычно требуют, прежде чем считать сигнал реальным. Это означает, что если бы истинный тренд был плавным, случайный разброс в данных produced бы столь выраженный провал лишь примерно один раз на 3,5 миллиона попыток.

«Плавный тренд — это то, что вы ожидали бы от обычной ядерной материи, поэтому провал предполагает, что при тех условиях происходит нечто более интересное», — сказал Маникандан.

Напротив, широко используемое компьютерное моделирование столкновений, не содержащее критической точки, воспроизвело общий тренд, но не провал. Нецентральные столкновения показали лишь слабый намёк на ту же особенность, слишком слабый, чтобы считаться доказательством сам по себе.

Пока не последнее слово

«Результат наводит на размышления, но не является доказательством критической точки», — сказал Маникандан. Эффекты, не связанные с критической точкой, также могут формировать эти флуктуации, и какую их часть они могли бы объяснить, остаётся неясным, отметили исследователи.

Тем не менее провал «указывает на набор условий, при которых поведение ядерной материи меняется, и даёт теоретикам новое точное измерение для проверки их расчётов», — сказал Маникандан.

Далее команда планирует использовать корреляции, чтобы «извлечь удельную теплоёмкость горячей материи», — сказал Маникандан. Затем они сравнят её с суперкомпьютерными симуляциями, которые рассчитывают поведение кварков и глюонов из первых принципов.

Исследователи также планируют проверить провал на большем числе теоретических моделей и объединить его с другими измерениями, такими как флуктуации числа протонов, рождающихся в столкновениях. «Только когда разные измерения согласуются, мы сможем уверенно сказать, существует ли критическая точка», — сказал Маникандан.