Перший у світі колайдер важких іонів розігнав ядра золота до швидкості світла

Вчені у США скористалися першим у світі колайдером важких іонів, щоб зіткнути ядра золота на швидкості, близькій до швидкості світла, і дослідити одну з найщільніших форм ядерної матерії, коли-небудь створених у лабораторії. Для дослідження команда використала детектор STAR на Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC) у Брукхейвенській національній лабораторії (BNL) Міністерства енергетики США (DOE). Вчені виявили незвичайне падіння флуктуацій імпульсу частинок.

Відкриття може пролити світло на фазові переходи ядерної матерії та пошуки критичної точки. Падіння спостерігалося під час зіткнень за нижчих енергій, які стискають ядерну матерію до надзвичайних щільностей, подібних до тих, що існують усередині нейтронних зірок. Відхилення від очікуваної плавної тенденції мало статистичну значущість близько 5 сигм. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters.

Екстремальна ядерна матерія

RHIC працював у BNL з 2000 до 2026 року і був створений для дослідження екзотичних форм ядерної матерії шляхом зіткнення важких атомних ядер, таких як золото, на швидкості, близькій до швидкості світла. Він припинив роботу після завершення останніх операцій 6 лютого 2026 року, дослідивши матерію на різних режимах:

За найвищих енергій зіткнення установка фактично могла розплавляти межі протонів і нейтронів, а також вивільняти їхні складові — кварки та глюони. У результаті утворюється кварк-глюонна плазма — екзотичний стан матерії, який, як вважається, заповнював Всесвіт невдовзі після Великого вибуху. Зіткнення за нижчих енергій, навпаки, не руйнують протони та нейтрони повністю. Натомість вони стискають ядерну матерію до величезних щільностей.

Зіткнення ядер золота

Для останнього дослідження команда проаналізувала зіткнення золота із золотом за енергіями від 3 до 7,7 млрд електронвольт (ГеВ). Для кращого розуміння результатів вчені порівняли їх із раніше опублікованими вимірюваннями STAR, які охоплюють енергії до 200 ГеВ.

Вчені STAR вимірювали, наскільки змінювався імпульс частинок від одного зіткнення до іншого. Оскільки частинки гарячішої матерії зазвичай мають більший імпульс, ці зміни показували, як температура вогняної кулі змінюється від зіткнення до зіткнення.

Пошук критичної точки

Флуктуації імпульсу різко зменшувалися зі зростанням енергії зіткнення від 3 ГеВ. Вони досягали мінімуму приблизно за 5,2–7,7 ГеВ, після чого знову починали зростати за вищих енергій. Це падіння може вказувати на пригнічення флуктуацій температури — явище, яке теорії передбачають поблизу критичної точки.

Поблизу цієї точки матерія може поглинати енергію, не змінюючи при цьому свою температуру так сильно. Критична точка позначала б зміну способу переходу ядерної матерії між різними фазами. За найвищих енергій RHIC цей перехід відбувається поступово, тоді як за вищих щільностей вчені очікують різкої зміни фази. Визначення місця, де змінюється така поведінка, може допомогти фізикам знайти критичну точку.

Результати неоднозначні

Хоча падіння узгоджується з іншими можливими ознаками поведінки поблизу критичної точки, які STAR спостерігав за низьких енергій, команда наголосила, що воно не доводить існування критичної точки.

Дослідники також порівняли свої вимірювання з прогнозами моделі багатофазного перенесення (A Multi-Phase Transport), яка не враховує поведінку критичної точки. Модель не змогла відтворити спостережуване падіння. Водночас команда попередила, що це все одно не підтверджує існування критичної точки.

Джерело: Interesting Engineering