Tack vare en ny utveckling inom kärnfysisk teori, forskare som utforskar expanderande eldklot som efterliknar det tidiga universum har nya tecken att leta efter när de kartlägger övergången från urplasma till materia som vi känner det. Teorin fungerar, beskrivs i en tidning som nyligen publicerades som ett redaktörsförslag i Fysiska granskningsbrev ( PRL ), identifierar nyckelmönster som skulle vara bevis på förekomsten av en så kallad "kritisk punkt" i övergången mellan olika faser av kärnämne. Som frys- och kokpunkterna som avgränsar olika faser av vatten - vätska, fast is, och ånga - de punkter kärnfysiker försöker identifiera kommer att hjälpa dem att förstå grundläggande egenskaper hos vårt universums struktur.

Kärnfysiker skapar eldkulorna genom att kollidera vanliga kärnor - gjorda av protoner och neutroner - i en "atomkrossare" kallad Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), ett US Department of Energy Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory. De subatomära smashupsna genererar temperaturer som mäter biljoner grader, tillräckligt varmt för att "smälta" protoner och neutroner och släppa sina inre byggstenar - kvarker och gluoner. Collidern vrider i huvudsak tillbaka klockan för att återskapa "kvark-gluonplasma" (QGP) som fanns strax efter Big Bang. Genom att spåra partiklarna som kommer från eldkulorna, forskare kan lära sig om kärnfasövergångar - både smältningen och hur kvarkerna och gluonerna "fryser ut" som de gjorde vid tidernas gryning för att bilda den synliga materien i dagens värld.

"Vi vill förstå egenskaperna hos QGP, "sa kärnteoretikern Raju Venugopalan, en av författarna på det nya papperet. "Vi vet inte hur dessa fastigheter kan användas, men för 100 år sedan vi visste inte hur vi skulle använda elektronernas kollektiva egenskaper, som nu utgör grunden för nästan all vår teknik. Då, elektroner var lika exotiska som kvarkerna och gluonerna nu. "

Ändra faser

RHIC -fysiker tror att två olika typer av fasförändringar kan förvandla den heta QGP till vanliga protoner och neutroner. Viktigt, de misstänker att typen av förändring beror på kollisionenergin, som avgör temperaturen som genereras och hur många partiklar som fastnar i eldklotet. Detta liknar hur vattenets frys- och kokpunkter kan förändras under olika temperaturförhållanden och densiteten hos vattenmolekyler, Venugopalan förklarade.

Vid RHIC -kollisioner med låg energi, forskare misstänker att medan förändringen i fas från QGP till vanliga protoner/neutroner sker, både distinkta tillstånd (QGP och vanligt kärnämne) samexisterar - precis som bubblor av ånga och flytande vatten samsas vid samma temperatur i en gryta med kokande vatten. Det är som om kvarkerna och gluonerna (eller flytande vattenmolekyler) måste stanna vid den temperaturen och betala en vägtull innan de kan få den energi som behövs för att fly som QGP (eller ånga).

I kontrast, vid högre energikollisioner, det finns ingen vägtull vid övergångstemperaturen där kvarker och gluoner måste "stanna". Istället rör de sig på en kontinuerlig väg mellan de två faserna.

Men vad händer mellan dessa områden med låg energi och hög energi? Att räkna ut det är nu ett av huvudmålen med det som kallas "strålenergisökning" vid RHIC. Genom att systematiskt kollidera kärnor vid ett brett spektrum av energier, fysiker i RHIC:s STAR -samarbete söker bevis på en speciell punkt på sin karta över dessa kärnfaser och övergångarna mellan dem - kärnfasdiagrammet.

Vid denna så kallade "kritiska punkt, "det skulle bli ett avgiftsstopp, men kostnaden skulle vara $ 0, så att kvarkerna och gluonerna snabbt kunde övergå från protoner och neutroner till QGP - nästan som om allt vatten i grytan blev till ånga på ett enda ögonblick. Detta kan faktiskt hända när vatten når sin kokpunkt under högt tryck, där skillnaden mellan vätske- och komprimerade gasfaserna suddas ut så att de två är praktiskt taget oskiljbara. När det gäller QGP, fysikerna skulle förvänta sig att se tecken på denna dramatiska effekt - mönster i fluktuationerna hos partiklar som observerats träffa deras detektorer - ju närmare och närmare de kommer till denna kritiska punkt.

I experiment som redan utförts på mellanliggande energier, STAR -fysiker har observerat sådana mönster, vilket kan vara tecken på den hypoteserade kritiska punkten. Denna sökning kommer att fortsätta med ökad precision över ett större antal energier under en andra strålenergisökning, börjar 2019. Det nya teoretiska arbetet från Brookhaven -fysikern Swagato Mukherjee, Venugopalan, och tidigare postdoc Yi Yin (nu vid MIT) - del av en nyfinansierad Beam Energy Scan Theory (BEST) Topical Collaboration in Nuclear Theory - kommer att ge en färdplan för att vägleda de experimentella forskarna.

Skyltar att leta efter

Vissa egenskaper hos de mönster som uppstår under fasförändringar är universella - oavsett om du studerar vatten, eller kvarker och gluoner, eller magneter. Men ett viktigt framsteg i det nya teoriarbetet var att använda en annan uppsättning universella egenskaper för att redogöra för de dynamiska förhållandena för den expanderande kvark-gluonplasma.

"Alla förutsägelser, hur vi började leta efter en kritisk punkt hittills, baserades på mönster som beräknats under förutsättning att du har en gryta som kokar på en spis - ett något statiskt system, "sa Mukherjee." Men QGP expanderar och förändras med tiden. Det är mer som vatten som kokar när det rinner snabbt genom ett rör. "

För att redogöra för QGP:s utvecklingsförhållanden i sina beräkningar, teoretikerna införlivade "dynamiska universaliteter" som först utvecklades för att beskriva liknande mönsterbildning i universums kosmologiska expansion.

"Dessa idéer har sedan tillämpats på andra system som flytande helium och flytande kristaller, "Sade Venugopalan." Yin insåg att de specifika mekanismerna för dynamisk universalitet som identifieras i kosmologi och kondenserade materiesystem kan tillämpas på sökandet efter den kritiska punkten vid tunga jonkollisioner. Detta dokument är den första tydliga demonstrationen av denna gissning. "

Specifikt, papperet förutspår exakt vilka mönster man ska leta efter i data - mönster i hur egenskaperna hos partiklar som släpps ut från kollisionerna korreleras - när kollisionernas energi förändras.

"Om STAR -samarbetet ser på data på ett särskilt sätt och ser dessa mönster, de kan utan tvekan påstå att de har sett en kritisk punkt, "Sa Venugopalan.