Коллайдер воссоздал первичную материю Вселенной и раскрыл неожиданные тайны

Эксперименты на ускорителе преподнесли физикам сюрприз: изучая эволюцию первозданного «супа» из элементарных частиц, заполнившего Вселенную после Большого взрыва, в привычные нам протоны и нейтроны, исследователи зафиксировали аномалию

Разогнав ядра золота почти до скорости света, ученые зафиксировали необычную закономерность в разлете образующихся осколков. Если гипотеза подтвердится, это прольет свет на то, каким образом сверхгорячая смесь глюонов и кварков, наполнявшая космос на заре времен, остывала, формируя протоны и нейтроны — строительные блоки всей современной материи.

В ходе каждого акта столкновения осколки разлетаются во все стороны, причем их усредненный поперечный импульс варьируется от опыта к опыту. Специалисты предполагали, что амплитуда этих флуктуаций будет трансформироваться плавно по мере изменения энергии соударений. Однако вместо этого обнаружился неожиданный провал: колебания сначала затухали, а затем вновь возрастали. Подобный минимумы могут сигнализировать о присутствии неуловимой «критической точки» — уникального набора физических параметров, знаменующего смену фазового состояния ядерного вещества.

Интригующий сигнал зафиксирован детектором STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC), расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории. Статистическая достоверность результата достаточно высока, чтобы исключить вероятность простой случайности. Тем не менее, авторы работы призывают к осторожности: выявленный провал пока служит лишь интригующим указанием на возможный фазовый переход, а не его окончательным доказательством.

Итоги изысканий были обнародованы 22 сентября на страницах Physical Review Letters.

Законы существования материи в экстремальных режимах

Барионы (протоны с нейтронами) состоят из более базовых субчастиц — кварков, спаянных сильным взаимодействием благодаря обмену глюонами. Экстремальные температуры и плотности разрушают эти связи, расплавляя нуклоны в свободный кварк-глюонный бульон. Считается, что именно эта огненная субстанция наполняла мироздание в первые мгновения после Большого взрыва.

Главная цель исследователей — понять механизм зарождения плазмы через построение уравнения состояния ядерной материи. «Аналогично тому, как для воды оно увязывает воедино давление, теплоту и плотность, определяя моменты закипания, замерзания или расширения», — поясняет в письме соавтор проекта, научный сотрудник Университета штата Огайо Рутик Маникандхан. Применительно к адронному веществу этот свод уравнений задает фундаментальные «правила игры» для самой экстремальной среды во Вселенной, включая сверхплотные недра нейтронных звезд, добавляет он.

Искомая критическая точка выступает важнейшим ориентиром в этой системе координат. «В термодинамике воды это состояние, где стирается грань между жидкой фазой и паром», — детализирует Маникандхан. Согласно теоретическим выкладкам, у ядерной материи должен быть схожий рубеж. Если при экстремальном нагреве превращение в плазму происходит плавно, то в условиях высокой плотности трансформация способна приобретать скачкообразный характер.

Критическая точка призвана разграничивать различные сценарии фазовых переходов. Расчеты некоторых научных групп допускают ее нахождение в зоне энергий, доступных для экспериментов на RHIC. «Впрочем, пока мы находимся на уровне гипотез — неопровержимых подтверждений от теоретиков или экспериментаторов еще не поступало», — признает Маникандхан.

Фундаментальная ценность работы простирается и на область космологии. «Моделируя условия ранней Вселенной в лабораторных столкновениях, мы получаем возможность проследить, как примитивный кварковый бульон трансформировался в привычные нам стабильные протоны и нейтроны», — резюмирует ученый.

Неожиданный провал вместо гладкой кривой

Для изучения этого диапазона физикам пришлось варьировать энергию пучков на коллайдере. Снижение энергии неизбежно вело к возрастанию степени сжатия вещества. На минимальных энергетических уровнях детектор переводился в конфигурацию с неподвижной мишенью: вместо встречных пучков поток золотых ядер наводился на «тонкую золотую фольгу, размещенную в сердцевине детектора», как поясняет Маникандхан. Подобная схема максимизирует плотность получаемой материи в рамках возможностей RHIC.

Энергетический масштаб в физике высоких энергий измеряют в гигаэлектронвольтах (ГэВ), где один ГэВ эквивалентен энергии покоя одиночного протона (согласно знаменитому соотношению Эйнштейна $E=mc^2$). Группа исследователей просеяла массив из примерно миллиарда столкновений в диапазоне от 3 до 7,7 ГэВ на одну пару нуклонов, что составляет нижний срез рабочей шкалы коллайдера, достигающей в максимуме 200 ГэВ.

Анализируя каждый акт соударения, физики фиксировали кинематику разлета заряженных осколков из эпицентра взрыва (так называемый поперечный импульс) и вычисляли корреляции между ними. Последние показывают степень согласованности поведения частиц: например, склонность пары образовывать импульсы выше среднего одновременно или наоборот. Это дает ключ к пониманию состояния системы в целом. Повышенное тепловыделение или ускоренное расширение огненного шара передает дополнительный импульс всем продуктам распада скопом.

«Подобные корреляции отражают колебания температуры и динамику расширения капли плазмы», — отмечает Маникандхан. В окрестностях критической точки теплоемкость субстанции должна резко возрастать, требуя колоссальных затрат энергии на малейший нагрев. Как следствие, температурные флуктуации затухают, а межчастичные корреляции ослабевают. «Приближение к фазовому переходу должно проявляться в виде нелинейных, изломанных зависимостей корреляций от энергии столкновения», — поясняет ученый.

Именно этот эффект проявился в центральных, лобовых столкновениях тяжелых ядер. «Корреляции не демонстрируют плавного тренда, вместо этого наблюдается отчетливый провал», — констатирует Маникандхан. При сопоставлении с базовой линией, полученной на основе более ранних высокоэнергетических сеансов STAR, глубина провала достигла статистической значимости в пять стандартных отклонений (сигм). В практике физики это золотой стандарт достоверности: вероятность того, что столь выраженный минимум возник случайно при условии гладкого тренда, составляет один шанс на 3,5 миллиона.

«Плавные кривые характерны для привычной барионной материи, так что обнаруженный минимум явно намекает на наличие скрытых глубоких процессов», — подчеркивает исследователь.

Любопытно, что стандартные компьютерные симуляции столкновений, не закладывающие существование критической точки, успешно описывают общую тенденцию, но оказываются бессильны воспроизвести этот провал. Периферийные соударения демонстрировали лишь слабые намеки на аналогичную аномалию, недостаточные для каких-либо выводов.

Окончательный вердикт еще впереди

«Полученные данные действительно указывают на вероятность присутствия критической точки, но пока не доказывают ее», — предостерегает Маникандхан. Физики не сбрасывают со счетов и альтернативные механизмы, способные порождать подобные флуктуации, степень влияния которых еще предстоит оценить.

Тем не менее, зафиксированный провал «очерчивает конкретную область параметров, где меняются фундаментальные свойства ядерной материи, обеспечивая теоретиков ценнейшим эмпирическим материалом для верификации моделей», — добавляет он.

На следующем этапе исследователи намерены использовать полученные корреляционные матрицы для точного вычисления удельной теплоемкости горячей среды. Эти эмпирические константы планируется сопоставить с результатами масштабного суперкомпьютерного моделирования, опирающегося на базовые принципы квантовой хромодинамики.

Параллельно ученые планируют перепроверить гипотезу с помощью иных теоретических подходов и сопоставить ее с альтернативными наблюдаемыми величинами, такими как дисперсия числа рожденных протонов. «Лишь полная согласованность результатов по разным каналам измерений позволит нам вынести окончательный вердикт о существовании критической точки», — подытожил Маникандхан.

Источник