[Перевод] Эксперимент на коллайдере воссоздал первичный «бульон» Большого взрыва и выявил неожиданные подробности

Эксперимент на ускорителе частиц позволил обнаружить нечто неожиданное в процессе превращения раскалённого «бульона» элементарных частиц, заполнявшего Вселенную после Большого взрыва, в протоны и нейтроны, из которых сегодня состоит вещество

Физики столкнули ядра золота на скоростях, близких к скорости света, и обнаружили неожиданную закономерность в поведении частиц, разлетающихся в результате столкновений. Если открытие подтвердится, оно поможет выяснить, как горячая смесь кварков и глюонов, заполнявшая Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва, остывала и превращалась в протоны и нейтроны, из которых сегодня состоит обычное вещество.

При каждом столкновении частицы разлетаются в стороны, причём их средний поперечный импульс немного меняется от одного столкновения к другому. Физики ожидали, что величина этих колебаний будет плавно изменяться по мере изменения энергии столкновений. Однако вместо этого они обнаружили провал: сначала колебания уменьшались, а затем снова возрастали. Этот провал может указывать на существование давно разыскиваемой «критической точки», особого сочетания условий, при котором меняется характер перехода ядерной материи из одного состояния в другое.

Сигнал был обнаружен в эксперименте STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью‑Йорке. Его статистическая значимость достаточно высока, чтобы считать случайное происхождение крайне маловероятным. Однако исследователи подчёркивают, что обнаруженный провал пока представляет собой многообещающий намёк, а не доказательство существования давно предсказанного фазового перехода.

Результаты исследования были опубликованы 22 сентября в журнале Physical Review Letters.

Правила поведения материи в экстремальных условиях

Протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые удерживаются вместе сильным взаимодействием, переносчиками которого служат частицы под названием глюоны. При достаточно высокой температуре или плотности протоны и нейтроны распадаются на составляющие их кварки и глюоны, образуя горячую смесь, известную как кварк‑глюонная плазма. Считается, что именно такой первичный «бульон» элементарных частиц заполнял Вселенную в первые миллисекунды после Большого взрыва.

Физики стремятся выяснить, как происходит образование этой плазмы, исследуя так называемое уравнение состояния ядерной материи. «В случае воды оно описывает взаимосвязь между давлением, температурой и плотностью, а следовательно, определяет, когда вода замерзает, кипит или расширяется», — объяснил Live Science по электронной почте соавтор исследования Рутик Маникандхан, научный сотрудник Университета штата Огайо. Для ядерной материи это уравнение представляет собой «основной свод правил поведения вещества в самых экстремальных условиях, встречающихся в природе, например в недрах нейтронных звёзд», добавил Маникандхан.

Критическая точка представляет собой важнейший ориентир в этом своде правил. «В случае воды это точка, в которой исчезает граница между жидкостью и паром», — пояснил Маникандхан. Теоретики давно предполагают, что аналогичная точка существует и у ядерной материи. При чрезвычайно высоких температурах вещество плавно и постепенно превращается в кварк‑глюонную плазму, однако при более высокой плотности такой переход может становиться резким.

Критическая точка должна обозначать границу между двумя типами фазового перехода. Некоторые недавние расчёты показывают, что эта точка может находиться в диапазоне условий, достижимых при столкновениях с низкими энергиями на RHIC. «Но пока всё это остаётся предположениями. Ни экспериментаторы, ни теоретики ещё не получили никаких убедительных доказательств», — отметил Маникандхан.

Эта работа имеет значение и для космологии. «Поскольку вещество, которое мы создаём в таких столкновениях, напоминает вещество, заполнявшее Вселенную через несколько микросекунд после Большого взрыва, изучение его поведения помогает понять, как Вселенная эволюционировала от горячего бульона кварков и глюонов до протонов и нейтронов, из которых сегодня состоит всё вокруг нас», — рассказал Маникандхан.

Провал вместо ожидаемого плавного изменения

Чтобы исследовать эту область, учёные провели серию экспериментов на RHIC с различными энергиями столкновений. Чем ниже была энергия, тем сильнее сжималось вещество при столкновении. Для экспериментов с самыми низкими энергиями детектор STAR работал в режиме неподвижной мишени. В этом случае пучок ядер золота направлялся не навстречу другому пучку, а на «тонкую золотую фольгу, помещённую внутрь детектора», пояснил Маникандхан. Такая конфигурация позволяет получить вещество с максимальной плотностью, достижимой на RHIC.

Энергию столкновений измеряют в электронвольтах, то есть единицах энергии, соответствующих энергии, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов в один вольт. Поскольку эта величина очень мала, физики элементарных частиц обычно используют миллиарды электронвольт, или гигаэлектронвольты (ГэВ). Один ГэВ примерно соответствует энергии, заключённой в массе одного протона, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc². Команда проанализировала около миллиарда столкновений при энергиях от 3 до 7,7 ГэВ на пару сталкивающихся протонов или нейтронов. Это нижняя часть энергетического диапазона RHIC, который достигает 200 ГэВ.

При каждом столкновении исследователи измеряли, насколько сильно заряженные частицы разлетаются в стороны из образовавшегося огненного шара. Эта величина называется поперечным импульсом. Затем учёные искали корреляции между частицами. Корреляция показывает, насколько согласованно изменяются две величины. В данном случае исследователи проверяли, существует ли тенденция, при которой пары частиц из одного столкновения одновременно получают поперечный импульс выше среднего или, наоборот, обе разлетаются с меньшим импульсом. Это позволяет получить информацию об огненном шаре в целом. Если он немного горячее или расширяется интенсивнее, все образовавшиеся частицы одновременно получают дополнительный поперечный импульс.

«Эти корреляции отражают степень колебаний температуры и скорости расширения огненного шара», — рассказал Маникандхан. Вблизи критической точки теплоёмкость вещества, то есть количество энергии, необходимое для повышения его температуры, должна резко возрастать. В результате температуру огненного шара становится труднее изменить, а корреляции между частицами должны ослабевать. «Если вещество приближается к критической точке или фазовому переходу, мы ожидаем, что по мере изменения энергии столкновений эти корреляции будут меняться необычным, неплавным образом», — пояснил Маникандхан.

Именно это исследователи обнаружили при наиболее центральных, лобовых столкновениях ядер. «Вместо плавного изменения с энергией корреляции демонстрируют провал», — сообщил Маникандхан. Учёные сравнили полученные данные с плавной зависимостью, построенной на основе предыдущих измерений STAR при более высоких энергиях. Отклонение в области провала достигло статистической значимости в пять сигм, то есть стандартного порога, который физики обычно используют, прежде чем считать обнаруженный сигнал реальным. Это означает, что если бы истинная зависимость была плавной, случайные колебания данных могли бы породить столь выраженный провал лишь примерно в одном случае из 3,5 миллиона.

«Плавная зависимость соответствует тому, чего можно ожидать от обычной ядерной материи. Поэтому наличие провала указывает на то, что в этих условиях происходит нечто более интересное», — отметил Маникандхан.

При этом широко используемая компьютерная модель подобных столкновений, в которой критическая точка отсутствует, смогла воспроизвести общую тенденцию, но не обнаруженный провал. В нецентральных столкновениях также наблюдался слабый намёк на аналогичную особенность, однако он оказался слишком незначительным, чтобы сам по себе считаться доказательством.

Окончательный ответ ещё впереди

«Полученный результат указывает на возможное существование критической точки, но не доказывает его», — подчеркнул Маникандхан. Исследователи отмечают, что на величину наблюдаемых колебаний могут влиять и другие эффекты, не связанные с критической точкой. Пока неясно, какую долю обнаруженного провала можно объяснить такими причинами.

Тем не менее провал «указывает на определённое сочетание условий, при которых поведение ядерной материи меняется, и предоставляет теоретикам новые точные экспериментальные данные для проверки их расчётов», — рассказал Маникандхан.

На следующем этапе команда планирует использовать измеренные корреляции, чтобы «определить удельную теплоёмкость горячего вещества», пояснил исследователь. Затем полученные результаты сравнят с моделированием на суперкомпьютерах, в котором поведение кварков и глюонов рассчитывается на основе фундаментальных физических законов.

Кроме того, исследователи собираются проверить обнаруженный провал с помощью других теоретических моделей и сопоставить его с дополнительными измерениями, например с колебаниями числа протонов, образующихся при столкновениях. «Только когда результаты различных измерений согласуются друг с другом, мы сможем уверенно утверждать, существует ли критическая точка», — заключил Маникандхан.

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку