Forskere ser beviser for førsteordens faseændringer i nukleart stof

Nye beviser tyder på, at protoner og neutroner går igennem en "førsteordens" faseovergang - en slags stop-and-go ændring i temperatur - når de "smelter". Dette svarer til, hvordan is smelter:Energi øger først temperaturen, og så, under overgangen, temperaturen forbliver stabil, mens energien omdanner et fast stof til en væske. Først når alle molekylerne er flydende, kan temperaturen stige igen. Med protoner og neutroner, den smeltede tilstand er en suppe af kvarker og gluoner. Forskere, der studerer dette kvark-gluon-plasma (QGP) ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), ser tegn på denne stop-and-go-overgang. De seneste data, fra lavenergikollisioner, tilføjer ny støtte til dette mønster.

I mere end 35 år, teoretikere har forudsagt signaturer, som videnskabsmænd kan lede efter som bevis på en førsteordens faseændring i QGP. Men at finde disse signaturer kræver at studere QGP over en bred vifte af energier og kortlægge nøglefunktioner i bittesmå pletter, der forsvinder blot en milliardtedel af en billiontedel af et sekund, efter de er dannet. Takket være fleksibiliteten af ​​RHIC og sofistikeringen af ​​STAR (Solenoidal Tracker ved RHIC) detektor, videnskabsmænd har endelig de nødvendige målinger i hånden.

RHIC, en brugerfacilitet for Department of Energy (DOE) Office of Science, blev bygget til dels for at studere, hvordan nukleart stof overgår til en suppe af frie kvarker og gluoner. RHIC accelererer og kolliderer guldatomernes kerner ved forskellige energier for at studere, hvordan de smelter for at danne denne QGP. At observere et fald i tryk og en længere levetid for QGP'en under overgangen ville være analogt med temperaturen på vandet, der holder stabilt, mens det fryser eller smelter - et tegn på en førsteordens faseovergang.

STAR-fysikere søgte efter disse tegn ved at måle den sideværts afbøjning af partikler (et trykfald ville mindske denne "strøm") og størrelsen af ​​det skabte system (systemer med længere levetid ville virke større i én dimension). Måling af sådanne små størrelsesændringer krævede brug af partikler med en bølgelængde mindre end et femtometer - mere end en milliard gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. At generere kollisioner ved den laveste energi til denne undersøgelse krævede at køre RHIC med en partikelstråle, der kolliderede med en stationær guldfolie inde i STAR-detektoren. Data fra disse laveste energi, "fixed-target"-kollisioner udvider energiområdet og tilpasser sig de forudsagte mønstre, som længe har været teori om at forekomme i en førsteordens faseovergang. Forskere indsamler og behandler stadig data fra en mere detaljeret scanning for at forstå yderligere karakteristika ved faseovergangen ved forskellige kollisionsenergier.