Физики из коллаборации STAR обнаружили необычный минимум в колебаниях импульса частиц при столкновениях ядер золота на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC. Сигнал со статистической значимостью около пяти сигм появляется при энергиях столкновения примерно 5,2–7,7 ГэВ и совпадает с одним из признаков, которые теория ожидает вблизи критической точки ядерной материи. Авторы подчёркивают, что наблюдение пока не доказывает существование такой точки.
Критическая точка занимает особое место на фазовой диаграмме квантовой хромодинамики, которая описывает состояния материи из кварков и глюонов при разных температурах и плотностях. Физики десятилетиями пытаются выяснить, существует ли граница, где плавное превращение обычного ядерного вещества в кварк-глюонную плазму сменяется резким фазовым переходом. Новые измерения STAR заметно сужают область поисков, но окончательного ответа пока не дают.
В эксперименте сталкивали ядра золота и измеряли поперечные импульсы заряженных частиц, которые разлетались после каждого столкновения. Горячее вещество в среднем передаёт частицам больший импульс, поэтому изменения импульсов от события к событию позволяют косвенно проследить, насколько сильно менялась температура крошечного сгустка материи.
Новая серия измерений охватывает энергии от 3 до 7,7 ГэВ на пару сталкивающихся нуклонов. Исследователи также сопоставили результаты с предыдущими данными STAR вплоть до 200 ГэВ. При повышении энергии от 3 ГэВ колебания импульса сначала резко уменьшаются, достигают минимума в области 5,2–7,7 ГэВ, а затем снова растут. Простая плавная зависимость такого поведения не объясняет.
Именно спад заинтересовал физиков. Рядом с предполагаемой критической точкой теплоёмкость вещества должна резко возрастать. Материя в таком состоянии способна поглощать дополнительную энергию почти без изменения температуры, поэтому температурные колебания должны ослабевать. Минимум в данных STAR соответствует такой картине.
Разница между режимами становится понятнее, если представить фазовые переходы обычного вещества. При высоких энергиях столкновения переход между ядерной материей и кварк-глюонной плазмой происходит плавно, без чёткой границы между двумя состояниями. При достаточно высокой плотности теория допускает фазовый переход первого рода, когда вещество меняет состояние скачком. Если оба режима действительно существуют, между ними должна находиться критическая точка.
Однако статистическая значимость около пяти сигм относится к самому немонотонному изменению измеряемой величины, а не к открытию критической точки. Расчёты с транспортной моделью AMPT, в которую критическое поведение не заложено, не смогли воспроизвести выраженный минимум. Одновременно другая теоретическая модель показала, что похожий эффект способен возникнуть без критической точки из-за изменения соотношения барионов и мезонов по мере роста энергии столкновения.
STAR уже находил и другие необычные зависимости при низких энергиях, в том числе в колебаниях числа протонов. Совпадение нескольких независимых признаков делает область особенно интересной для дальнейшего анализа, однако каждый из сигналов допускает альтернативные объяснения. Поэтому физикам нужны измерения разных характеристик одной и той же материи, которые укажут на одно и то же место фазовой диаграммы.
Связь эксперимента с ранней Вселенной требует важной оговорки. Коллайдер действительно создаёт на короткое время состояния вещества, близкие к тем, которые существовали в первые микросекунды после Большого взрыва, однако низкоэнергетические столкновения RHIC дают гораздо более богатую барионами среду. По плотности такая материя частично приближается к условиям внутри нейтронных звёзд. Поиск критической точки поэтому помогает одновременно понять свойства сильного взаимодействия, эволюцию кварк-глюонной материи и поведение вещества при экстремальной плотности.
