Вселенная дрожит у фазового рубежа — физики впервые уловили след критической точки материи

Физики из международной коллаборации STAR сообщили о самых убедительных на сегодняшний день признаках существования так называемой критической точки — особой области на фазовой диаграмме ядерного вещества, которую учёные ищут уже много лет.

Критическая точка отделяет различные режимы перехода кварков и глюонов — фундаментальных кирпичиков протонов и нейтронов — из одного состояния в другое. Исследователи сравнивают эту задачу с картой фаз воды, где существуют границы между льдом, жидкостью и паром. При самых высоких энергиях столкновения ионов золота приводят к тому, что протоны и нейтроны плавятся в кварк-глюонную плазму — особую субстанцию, наполнявшую раннюю Вселенную. Определение точных условий этого превращения считается ключевой целью экспериментов на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Чтобы приблизиться к разгадке, команда STAR проанализировала данные о столкновениях золота при разных энергиях, сосредоточив внимание на флуктуациях в числе рождающихся протонов. Такие колебания ведут себя как турбулентность в атмосфере и могут указывать на границу между фазами материи. Однако сами изменения крайне тонкие, поэтому физики использовали методы высших порядков статистики, которые позволяют уловить изменения формы распределения протонов.

Теоретик Михаил Стефанов из Чикагского университета ещё раньше предсказал, что важный параметр — эксцесс (куртозис) — должен сначала упасть, затем подняться выше базового уровня и снова снизиться. По его словам, такие изломы кривой означают, что при определённой энергии происходит событие, отсутствующее в других точках, словно самолёт внезапно попадает в зону турбулентности.

Новые данные STAR показали именно такой минимум около 20 миллиардов электрон-вольт. На более низких энергиях величина снова растёт, а затем при 7,7 ГэВ возвращается к базовому уровню. «Мы видим чётко выраженный минимум в данных по куртозису», отметил Ашиш Пандав из Лоуренс-Беркли. Статистическая значимость отклонения, по его словам, колеблется от двух до пяти сигма в зависимости от принятой базы сравнения.

Таким образом, эксперимент подтвердил лишь одну часть предсказанного сигнала — вторая пока остаётся неуловимой. На энергиях ниже 7,7 ГэВ данные фиксированных столкновений при 3 ГэВ не показывают ясной картины, и остаётся пробел между этими значениями. STAR уже собрала больше информации на малых энергиях и планирует в ближайшее время закрыть этот разрыв.

Эти результаты стали кульминацией более чем пятнадцатилетних международных усилий по построению фазовой диаграммы ядерного вещества. Для этого понадобились масштабные обновления детекторов, усовершенствование ускорителя и вычислительные мощности центров NERSC в Беркли и Брукхейвене. «Пока сигналы соответствуют тому, что ожидалось от критической точки, по крайней мере той части, которую нам удалось зафиксировать», отметил Стефанов. «Но нам всё ещё нужно гораздо лучше понять, каким образом сама критическая точка порождает такие признаки».