Spændende tegn på faseskiftsturbulens i RHIC-kollisioner

Fysikere studerer kollisioner af guldioner ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en US Department of Energy Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory, begiver sig ud på en rejse gennem nukleare materiens faser - de ting, der udgør kernerne i alt det synlige stof i vores univers. En ny analyse af kollisioner udført ved forskellige energier viser fristende tegn på et kritisk punkt - en ændring i den måde, kvarker og gluoner på, byggestenene til protoner og neutroner, transformere fra en fase til en anden. Fundene, netop udgivet af RHIC's STAR Collaboration i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , vil hjælpe fysikere med at kortlægge detaljer om disse ændringer i atomfasen for bedre at forstå udviklingen af ​​universet og forholdene i kernerne i neutronstjerner.

"Hvis vi er i stand til at opdage dette kritiske punkt, så kan vores kort over atomfaser - atomfasediagrammet - finde et sted i lærebøgerne, ved siden af ​​vand, "sagde Bedanga Mohanty fra Indiens National Institute of Science and Research, en af ​​hundredvis af fysikere, der samarbejder om forskning på RHIC ved hjælp af den sofistikerede STAR-detektor.

Som Mohanty bemærkede, at studere nukleare faser er lidt som at lære om det faste, væske, og gasformige former for vand, og kortlægning af, hvordan overgangene foregår afhængigt af forhold som temperatur og tryk. Men med nukleart stof, man kan ikke bare stille en gryde på komfuret og se det koge. Du har brug for kraftige partikelacceleratorer som RHIC for at skrue op for varmen.

RHICs højeste kollisionsenergier "smelter" almindeligt nukleart stof (atomkerner lavet af protoner og neutroner) for at skabe en eksotisk fase kaldet et kvark-gluon plasma (QGP). Forskere mener, at hele universet eksisterede som QGP en brøkdel af et sekund efter Big Bang - før det afkølede og kvarkerne bandt sammen (limet af gluoner) for at danne protoner, neutroner, og til sidst, atomkerner. Men de små dråber af QGP, der er skabt på RHIC, måler kun 10 ^-13 centimeter på tværs (det er 0,0000000000001 cm), og de holder kun 10 ^-23 sekunder! Det gør det utroligt udfordrende at kortlægge smeltningen og frysningen af ​​det stof, der udgør vores verden.

"Hvis vi strengt taget ikke identificerer hverken fasegrænsen eller det kritiske punkt, vi kan virkelig ikke sætte denne [QGP -fase] i lærebøgerne og sige, at vi har en ny tilstand, " sagde Nu Xu, en STAR-fysiker ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory.

Overvågning af faseovergange

For at spore overgangene, STAR-fysikere udnyttede RHIC's utrolige alsidighed til at kollidere guldioner (guldatomernes kerner) på tværs af en bred vifte af energier.

"RHIC er den eneste facilitet, der kan gøre dette, giver stråler fra 200 milliarder elektronvolt (GeV) helt ned til 3 GeV. Ingen kan drømme om sådan en fremragende maskine, " sagde Xu.

Ændringerne i energi skruer kollisionstemperaturen op og ned og varierer også en mængde kendt som netto baryontæthed, der er noget analog med tryk. Ser vi på data indsamlet under den første fase af RHICs "stråleenergiscanning" fra 2010 til 2017, STAR -fysikere sporer partikler, der strømmer ud ved hver kollisionsenergi. De udførte en detaljeret statistisk analyse af nettoantallet af producerede protoner. En række teoretikere havde forudsagt, at denne mængde ville vise store udsving fra begivenhed til hændelse, når det kritiske punkt nærmer sig.

Årsagen til de forventede udsving kommer fra en teoretisk forståelse af den kraft, der styrer kvarker og gluoner. Den teori, kendt som kvantekromodynamik, antyder, at overgangen fra normalt nukleart stof ("hadroniske" protoner og neutroner) til QGP kan foregå på to forskellige måder. Ved høje temperaturer, hvor protoner og antiprotoner produceres i par, og nettobaryontætheden er tæt på nul, fysikere har beviser for en jævn overgang mellem faserne. Det er som om protoner gradvist smelter for at danne QGP, som smør, der gradvist smelter på en disk på en varm dag. Men ved lavere energier, de forventer, hvad der kaldes en første-ordens faseovergang – en brat ændring som vand, der koger ved en fastsat temperatur, når individuelle molekyler undslipper gryden og bliver til damp. Nukleare teoretikere forudsiger, at i faseovergangen mellem QGP-til-hadronic-stof, nettoprotonproduktionen bør variere dramatisk, efterhånden som kollisioner nærmer sig dette overgangspunkt.

"Ved høj energi, der er kun én fase. Systemet er mere eller mindre invariant, normal, " sagde Xu. "Men når vi skifter fra høj energi til lav energi, du øger også nettobaryontætheden, og stofstrukturen kan ændre sig, mens du går gennem faseovergangsområdet.

"Det er ligesom når du kører på et fly, og du kommer i turbulens, " tilføjede han. "Du kan se udsvinget - boom, boom, boom. Derefter, når du passerer turbulensen - fasen med strukturelle ændringer - er du tilbage til normalen i enfasestrukturen."

I RHIC-kollisionsdataene, tegnene på denne turbulens er ikke så tydelige som mad og drikkevarer, der hopper af bakkeborde i et fly. STAR-fysikere var nødt til at udføre, hvad der er kendt som "højere ordens korrelationsfunktion" statistisk analyse af partiklernes fordelinger - på udkig efter mere end blot middelværdien og bredden af ​​kurven, der repræsenterer dataene, til ting som, hvor asymmetrisk og skæv fordelingen er.

De svingninger, de ser i disse højere ordrer, især skævhed (eller kurtosis), minder om en anden berømt faseændring, der observeres, når gennemsigtigt flydende kuldioxid pludselig bliver grumset ved opvarmning, siger forskerne. Denne "kritiske opalescens" kommer fra dramatiske udsving i tætheden af ​​CO2 - variationer i, hvor tæt pakket molekylerne er.

"I vores data, svingningerne betyder, at der sker noget interessant, som opalescensen, " sagde Mohanty.

På trods af de fristende hints, STAR-forskerne erkender, at intervallet af usikkerhed i deres målinger stadig er stort. Holdet håber at indsnævre denne usikkerhed for at nå deres kritiske punktopdagelse ved at analysere et andet sæt målinger foretaget af mange flere kollisioner under fase II af RHICs stråleenergiscanning, fra 2019 til 2021.

Hele STAR -samarbejdet var involveret i analysen, Xu bemærker, med en bestemt gruppe fysikere – inklusive Xiaofeng Luo (og hans elev, Yu Zhang), Ashish Pandav, og Toshihiro Nonaka, fra Kina, Indien, og Japan, hhv. mødes ugentligt med de amerikanske videnskabsmænd (over mange tidszoner og virtuelle netværk) for at diskutere og forfine resultaterne. Værket er også et sandt samarbejde mellem eksperimentelisterne med atomteoretikere rundt om i verden og acceleratorfysikerne ved RHIC. Sidstnævnte gruppe, i Brookhaven Labs afdeling for kollider-accelerator, udtænkt måder at køre RHIC langt under sin designenergi og samtidig maksimere kollisionshastigheder for at muliggøre indsamling af de nødvendige data ved lave kollisionsenergier.

"Vi udforsker ukendt territorium, " sagde Xu. "Dette er aldrig blevet gjort før. Vi gjorde en stor indsats for at kontrollere miljøet og foretage rettelser, og vi venter spændt på den næste runde af højere statistiske data, " han sagde.