Физики увидели намёк на «критическую точку» ядерной материи в столкновениях золота

Физики столкнули ядра золота друг с другом на скорости, близкой к скорости света, и обнаружили неожиданную закономерность в частицах, которые эти столкновения разбросали. Если она подтвердится, эта закономерность поможет раскрыть, как горячий суп из кварков и глюонов, заполнявший Вселенную в первые несколько микросекунд после Большого взрыва, остыл и сконденсировался в протоны и нейтроны, из которых сегодня состоит обычная материя.

В каждом столкновении частицы разлетаются в стороны; то, насколько сильно они разлетаются в среднем, слегка меняется от столкновения к столкновению. Физики ожидали, что величина этих вариаций будет плавно меняться при изменении энергии столкновения. Вместо этого вариации испытали провал: сначала уменьшились, а затем снова выросли. Этот провал может быть признаком долгожданной «критической точки» — особого набора условий, при которых ядерная материя меняет способ перехода из одной формы в другую.

Сигнал, обнаруженный экспериментом STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, достаточно силён, чтобы быть крайне маловероятной статистической случайностью. Однако исследователи предупредили, что провал — это интригующий намёк, а не доказательство долгожданного перехода. Они опубликовали свои результаты 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 в горячий суп из свободных кварков и глюонов, известный как кварк-глюонная плазма. Считается, что этот первобытный суп из частиц заполнял Вселенную в первые миллисекунды после Большого взрыва.

Физики хотят точно установить, как происходило это «превращение в суп», измерив так называемое уравнение состояния ядерной материи. «Для воды оно говорит, как связаны давление, температура и плотность, а значит, когда она замерзает, кипит или расширяется», — рассказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Рутик Маникандан, постдокторант по физике в Университете штата Огайо. Для ядерной материи, добавил Маникандан, «это основной свод правил для материи 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», — сказал Маникандан, и теоретики давно подозревают, что у ядерной материи есть похожая точка. При чрезвычайно высоких температурах материя плавно и постепенно плавится в кварк-глюонную плазму, но при более высоких плотностях переход может стать резким.

Критическая точка обозначила бы место, где один тип перехода превращается в другой. Некоторые недавние расчёты помещают эту точку в пределы досягаемости низкоэнергетических столкновений RHIC. «Но всё это пока лишь предположения, и конкретных данных пока нет ни у экспериментаторов, ни у теоретиков», — сказал 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 сегодня всё сущее», — сказал Маникандан.

Провал там, где ожидалась плавная тенденция

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

Энергии столкновений измеряются в электронвольтах (энергия, которую приобретает электрон при ускорении напряжением в 1 вольт). Это ничтожно малая величина, поэтому физики элементарных частиц обычно работают с миллиардами электронвольт, или гигаэлектронвольтами (ГэВ). Один ГэВ — это примерно энергия, заключённая в массе одного протона, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc². Команда проанализировала около 1 миллиарда столкновений при энергиях от 3 до 7,7 ГэВ на пару сталкивающихся протонов или нейтронов. Это нижний предел диапазона RHIC, который достигает 200 ГэВ.

В каждом столкновении команда измеряла, насколько сильно заряженные частицы разлетались в стороны из огненного шара — величину, известную как поперечный импульс. Затем исследователи искали корреляции между частицами. Корреляция показывает, склонны ли две величины меняться вместе. Здесь команда проверяла, склонны ли пары частиц из одного столкновения оба разлетаться сильнее среднего или оба — слабее. Это reveals нечто об 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 флуктуируют 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 труднее сдвинуть, поэтому корреляции должны ослабевать. «Если материя приближается к критической точке или фазовому переходу, мы ожидали бы увидеть, что эти корреляции меняются необычным, неплавным образом при изменении энергии столкновения», — сказал Маникандан.

Именно это команда увидела в самых лобовых столкновениях. «Вместо плавного изменения с энергией корреляции демонстрируют провал», — сказал Маникандан. Исследователи сравнили данные с плавной тенденцией, закреплённой более ранними измерениями STAR при более высоких энергиях. Провал отклоняется от этой тенденции со статистической значимостью 5 сигма — стандарт, который физики обычно требуют, прежде чем считать сигнал реальным. Это означает, что если бы истинная тенденция была плавной, случайный разброс в данных дал бы такой выраженный провал лишь примерно один раз из 3,5 миллиона попыток.

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

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

Пока не последнее слово

«Результат наводит на мысль, но не доказывает существование критической точки», — сказал Маникандан. Эффекты, не связанные с критической точкой, также могут формировать эти флуктуации, и насколько сильно они могли бы объяснить провал, 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 можем уверенно сказать, существует ли критическая точка», — сказал Маникандан.

Источники: Aboona, B. E., Adam, J., Adamczyk, L., Aggarwal, I., Aggarwal, M. M., Ahammed, Z., Alshammri, A. K., Aschenauer, E. C., Aslam, S., Atchison, J., et al. (2026). Nonmonotonicity of transverse momentum correlations in Au+Au collisions at RHIC. Physical Review Letters, 137(13), 132301. https://doi.org/10.1103/2xsn-rgx3