Фазовый переход первого порядка в ядерной материи — новые доказательства

Это похоже на таяние льда: энергия сначала увеличивает температуру, а затем, во время перехода, температура остается постоянной, в то время как энергия превращает твердое тело в жидкость. Только когда все молекулы станут жидкими, температура снова повысится.

Треки частиц от низкоэнергетического столкновения иона золота с неподвижной золотой мишенью в детекторе STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) помогают ученым отобразить переход обычной ядерной материи в горячий суп из свободных кварков и глюонов. Изображение предоставлено: STAR Collaboration

Расплавленное состояние протонов и нейтронов представляет собой суп из кварков и глюонов. Ученые, изучающие эту кварк-глюонную плазму (QGP) на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC), видят признаки этого прерывистого перехода. Последние данные о столкновениях с низкой энергией добавляют новую поддержку этой модели.

Более 35 лет теоретики предсказывали сигнатуры, которые ученые могут искать в качестве доказательства фазового изменения первого порядка в QGP. Но для того, чтобы найти эти сигнатуры, необходимо изучить QGP в широком диапазоне энергий и обозначить ключевые особенности в крошечных пятнышках, которые исчезают всего за одну миллиардную триллионной секунды после их образования. Благодаря гибкости RHIC и сложности детектора STAR (соленоидный трекер в RHIC), ученые наконец-то получили необходимые измерения под рукой.

RHIC, пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики (DOE), был построен отчасти для изучения того, как ядерная материя превращается в суп из свободных кварков и глюонов. RHIC ускоряет и сталкивает ядра атомов золота с разными энергиями, чтобы изучить, как они плавятся, образуя этот QGP. Наблюдение падения давления и более длительного срока службы QGP во время перехода было бы аналогично тому, как температура воды остается постоянной во время замерзания или плавления — признак фазового перехода первого рода.

Физики STAR искали эти признаки, измеряя отклонение частиц в сторону (падение давления уменьшило бы этот «поток») и размер созданной системы (более долгоживущие системы казались бы больше в одном измерении).

Для измерения таких крошечных изменений размера требовалось использовать частицы с длиной волны меньше, чем у фемтометра — более чем в миллиард раз меньше ширины человеческого волоса. Генерация столкновений с самой низкой энергией для этого исследования потребовала запуска RHIC с пучком частиц, сталкивающимся со стационарной золотой фольгой внутри детектора STAR.

Данные этих столкновений с «фиксированной мишенью» с наименьшей энергией расширяют диапазон энергий и совпадают с предсказанными схемами, которые, как давно предполагалось, происходят при фазовом переходе первого рода. Ученые все еще собирают и обрабатывают данные более детального сканирования, чтобы понять дополнительные характеристики фазового перехода при различных энергиях столкновения.