Fysiker studerar kollisioner av guldjoner vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en amerikansk Department of Energy Office of Science användaranläggning för kärnfysisk forskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, påbörjar en resa genom faserna av kärnämne - de saker som utgör kärnorna i all synlig materia i vårt universum. En ny analys av kollisioner som utförts med olika energier visar uppmuntrande tecken på en kritisk punkt - en förändring av sättet som kvarkar och gluoner, byggstenarna för protoner och neutroner, förvandlas från en fas till en annan. Resultaten, just publicerad av RHIC:s STAR Collaboration i tidskriften Fysiska granskningsbrev , kommer att hjälpa fysiker att kartlägga detaljer om dessa kärnfasförändringar för att bättre förstå universums utveckling och förhållandena i neutronstjärnornas kärnor.

"Om vi ​​kan upptäcka denna kritiska punkt, då kan vår karta över kärnfaser - kärnfasdiagrammet - hitta en plats i läroböckerna, vid sidan av vatten, "sade Bedanga Mohanty från Indiens National Institute of Science and Research, en av hundratals fysiker som samarbetar kring forskning vid RHIC med hjälp av den sofistikerade STAR -detektorn.

Som Mohanty noterade, att studera kärnfaser är ungefär som att lära sig om det fasta, flytande, och gasformiga vatten, och kartlägga hur övergångarna sker beroende på förhållanden som temperatur och tryck. Men med kärnämne, du kan inte bara ställa en gryta på spisen och se hur den kokar. Du behöver kraftfulla partikelacceleratorer som RHIC för att öka värmen.

RHIC:s högsta kollisionsenergier "smälter" vanligt kärnämne (atomkärnor gjorda av protoner och neutroner) för att skapa en exotisk fas som kallas ett kvark-gluonplasma (QGP). Forskare tror att hela universum existerade som QGP en bråkdel av en sekund efter Big Bang - innan det svalnade och kvarkerna bundna ihop (limmade av gluoner) för att bilda protoner, neutroner, och slutligen, atomkärnor. Men de små droppar QGP som skapades vid RHIC mäter bara 10 ^-13 centimeter över (det är 0.0000000000001 cm) och de håller bara i 10 ^-23 sekunder! Det gör det otroligt utmanande att kartlägga smältningen och frysningen av den materia som utgör vår värld.

"Strängt taget om vi inte identifierar varken fasgränsen eller den kritiska punkten, vi kan verkligen inte lägga in denna [QGP -fas] i läroböckerna och säga att vi har ett nytt tillstånd av materia, "sa Nu Xu, en STAR -fysiker vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory.

Spåra fasövergångar

För att spåra övergångarna, STAR -fysiker utnyttjade RHIC:s otroliga mångsidighet för att kollidera guldjoner (kärnorna i guldatomer) över ett brett spektrum av energier.

"RHIC är den enda anläggningen som kan göra detta, ger strålar från 200 miljarder elektronvolter (GeV) ända ner till 3 GeV. Ingen kan drömma om en så utmärkt maskin, "Sa Xu.

Energiförändringarna vrider kollisionstemperaturen upp och ner och varierar också en mängd som kallas nettobaryondensitet som är något analog med tryck. Ser vi på data som samlats in under den första fasen av RHIC:s "strålenergisökning" från 2010 till 2017, STAR -fysiker spårade partiklar som strömmade ut vid varje kollisionenergi. De utförde en detaljerad statistisk analys av det totala antalet protoner som producerades. Ett antal teoretiker hade förutspått att denna mängd skulle visa stora händelse-för-händelse fluktuationer när den kritiska punkten närmar sig.

Orsaken till de förväntade fluktuationerna kommer från en teoretisk förståelse av kraften som styr kvarker och gluoner. Den teorin, känd som kvantkromodynamik, antyder att övergången från normal kärnämne ("hadroniska" protoner och neutroner) till QGP kan ske på två olika sätt. Vid höga temperaturer, där protoner och antiprotoner produceras i par och nettobaryontätheten är nära noll, fysiker har bevis på en smidig övergång mellan faserna. Det är som om protoner gradvis smälter för att bilda QGP, som smör som smälter gradvis på en bänk en varm dag. Men vid lägre energier, de förväntar sig det som kallas en första ordningens fasövergång-en abrupt förändring som vatten som kokar vid en inställd temperatur när enskilda molekyler slipper potten för att bli ånga. Kärnteoretiker förutspår att i fasövergången QGP-till-hadronic-materia, nettoprotonproduktion bör variera dramatiskt när kollisioner närmar sig denna övergångspunkt.

"Med hög energi, det finns bara en fas. Systemet är mer eller mindre invariant, vanligt, "Sa Xu." Men när vi byter från hög energi till låg energi, du ökar också nettobaryontätheten, och materiens struktur kan förändras när du går genom fasövergångsområdet.

"Det är precis som när du åker ett flygplan och kommer in i turbulens, "tillade han." Du ser fluktuationen - boom, bom, bom. Sedan, när du passerar turbulensen-fasen av strukturella förändringar-är du tillbaka till det normala i enfasstrukturen. "

I RHIC -kollisionsdata, tecknen på denna turbulens är inte lika uppenbara som mat och dryck som studsar från brickbord i ett flygplan. STAR -fysiker var tvungna att utföra så kallad "högre ordningskorrelationsfunktion" statistisk analys av partiklarnas fördelningar - leta efter mer än bara medelvärdet och bredden på kurvan som representerar data till saker som hur asymmetrisk och sned den fördelningen är.

Svängningarna de ser i dessa högre ordningar, särskilt skevheten (eller kurtosen), påminner om en annan känd fasförändring som observeras när transparent flytande koldioxid plötsligt blir grumlig vid uppvärmning, säger forskarna. Denna "kritiska opalescens" kommer från dramatiska fluktuationer i CO2 -densiteten - variationer i hur tätt packade molekylerna är.

"I våra uppgifter, svängningarna betyder att något intressant händer, som opalescensen, "Sa Mohanty.

Men trots de lockande tipsen, STAR -forskarna erkänner att intervallet av osäkerhet i deras mätningar fortfarande är stort. Teamet hoppas kunna begränsa denna osäkerhet för att spikra sin kritiska punktupptäckt genom att analysera en andra uppsättning mätningar gjorda av många fler kollisioner under fas II av RHIC:s strålenergisökning, från 2019 till 2021.

Hela STAR -samarbetet var inblandat i analysen, Xu noterar, med en viss grupp fysiker - inklusive Xiaofeng Luo (och hans student, Yu Zhang), Ashish Pandav, och Toshihiro Nonaka, från Kina, Indien, och Japan, - träffas varje vecka med amerikanska forskare (över många tidszoner och virtuella nätverk) för att diskutera och förfina resultaten. Arbetet är också ett verkligt samarbete mellan experimenterna med kärnteoretiker runt om i världen och acceleratorfysikerna vid RHIC. Den senare gruppen, i Brookhaven Labs Collider-Accelerator-avdelning, utvecklat sätt att köra RHIC långt under dess designenergi samtidigt som man maximerar kollisionshastigheter för att möjliggöra insamling av nödvändig data vid låga kollisionsenergier.

"Vi utforskar okänt territorium, "Sa Xu." Detta har aldrig gjorts tidigare. Vi gjorde stora ansträngningar för att kontrollera miljön och göra korrigeringar, och vi väntar med spänning på nästa omgång med högre statistisk data, " han sa.