Dankzij een nieuwe ontwikkeling in de theorie van de kernfysica, wetenschappers die uitdijende vuurballen onderzoeken die het vroege universum nabootsen, hebben nieuwe tekens om naar te zoeken als ze de overgang van oerplasma naar materie zoals wij die kennen in kaart brengen. Het theoriewerk, beschreven in een artikel dat onlangs is gepubliceerd als een suggestie van een redacteur in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), identificeert sleutelpatronen die het bewijs zouden zijn van het bestaan ​​van een zogenaamd "kritiek punt" in de overgang tussen verschillende fasen van nucleaire materie. Zoals de vries- en kookpunten die verschillende fasen van water afbakenen:vloeibaar, vast ijs, en stoom - de punten die kernfysici proberen te identificeren, zullen hen helpen de fundamentele eigenschappen van het weefsel van ons universum te begrijpen.

Kernfysici creëren de vuurballen door gewone kernen - gemaakt van protonen en neutronen - te laten botsen in een "atoomvernietiger" genaamd de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), een US Department of Energy Office of Science User Facility bij Brookhaven National Laboratory. De subatomaire smashups genereren temperaturen van biljoenen graden, heet genoeg om de protonen en neutronen te "smelten" en hun innerlijke bouwstenen vrij te geven - quarks en gluonen. De versneller draait in wezen de klok terug om het "quark-gluon-plasma" (QGP) te recreëren dat net na de oerknal bestond. Door de deeltjes te volgen die uit de vuurballen komen, wetenschappers kunnen leren over nucleaire fase-overgangen - zowel het smelten als hoe de quarks en gluonen "bevriezen" zoals ze deden aan het begin van de tijd om de zichtbare materie van de wereld van vandaag te vormen.

"We willen de eigenschappen van QGP begrijpen, " zei kerntheoreticus Raju Venugopalan, een van de auteurs van het nieuwe artikel. "We weten niet hoe die eigenschappen kunnen worden gebruikt, maar 100 jaar geleden, we wisten niet hoe we de collectieve eigenschappen van elektronen zouden gebruiken, die nu de basis vormen van bijna al onze technologieën. Vroeger, elektronen waren net zo exotisch als de quarks en gluonen nu zijn."

Veranderende fasen

Natuurkundigen van RHIC geloven dat twee verschillende soorten faseveranderingen het hete QGP kunnen transformeren in gewone protonen en neutronen. belangrijk, ze vermoeden dat het type verandering afhangt van de botsingsenergie, die de gegenereerde temperaturen bepaalt en hoeveel deeltjes er in de vuurbal terechtkomen. Dit is vergelijkbaar met de manier waarop de vries- en kookpunten van water kunnen veranderen onder verschillende temperatuuromstandigheden en de dichtheid van watermoleculen, Venugopalan uitgelegd.

Bij RHIC-botsingen met lage energie, wetenschappers vermoeden dat terwijl de faseverandering van QGP naar gewone protonen/neutronen plaatsvindt, beide verschillende toestanden (QGP en gewone nucleaire materie) bestaan ​​naast elkaar - net zoals bellen van stoom en vloeibaar water naast elkaar bestaan ​​bij dezelfde temperatuur in een pan met kokend water. Het is alsof de quarks en gluonen (of vloeibare watermoleculen) bij die temperatuur moeten stoppen en hun tol moeten betalen voordat ze de energie kunnen krijgen die nodig is om te ontsnappen als QGP (of stoom).

In tegenstelling tot, bij botsingen met hogere energie, er is geen tolpoort bij de overgangstemperatuur waar quarks en gluonen moeten "stoppen". In plaats daarvan bewegen ze zich op een continu pad tussen de twee fasen.

Maar wat gebeurt er tussen deze laag-energetische rijken? Dat uitzoeken is nu een van de belangrijkste doelen van wat bekend staat als de "straalenergiescan" bij RHIC. Door systematisch kernen te laten botsen met een breed scala aan energieën, natuurkundigen in de STAR-samenwerking van RHIC zoeken naar bewijs van een speciaal punt op hun kaart van deze nucleaire fasen en de overgangen daartussen:het nucleaire fasediagram.

Op dit zogenaamde "kritieke punt" "er zou een tolstop zijn, maar de kosten zouden $ 0 zijn, dus de quarks en gluonen konden heel snel overgaan van protonen en neutronen naar QGP - bijna alsof al het water in de pot in een enkel moment in stoom veranderde. Dit kan gebeuren wanneer water onder hoge druk het kookpunt bereikt, waar het onderscheid tussen de vloeibare en de gecomprimeerde gasfase vervaagt tot het punt dat de twee vrijwel niet te onderscheiden zijn. In het geval van QGP, de natuurkundigen zouden verwachten tekenen van dit dramatische effect te zien - patronen in de fluctuaties van waargenomen deeltjes die hun detectoren raken - hoe dichter en dichter ze bij dit kritieke punt komen.

In experimenten die al zijn uitgevoerd bij de tussenliggende energieën, STAR-fysici hebben dergelijke patronen waargenomen, die tekenen kunnen zijn van het veronderstelde kritieke punt. Deze zoektocht zal met verhoogde precisie worden voortgezet over een groter bereik van energieën tijdens een tweede bundelenergiescan, vanaf 2019. Het nieuwe theoretische werk van Brookhaven-natuurkundige Swagato Mukherjee, Venugopalaan, en voormalig postdoc Yi Yin (nu aan het MIT) - onderdeel van een nieuw gefinancierde Beam Energy Scan Theory (BEST) Topical Collaboration in Nuclear Theory - zal een routekaart bieden om de experimentele onderzoekers te begeleiden.

Wegwijzers om naar te zoeken

Bepaalde kenmerken van de patronen die optreden tijdens faseveranderingen zijn universeel - of je nu water bestudeert, of quarks en gluonen, of magneten. Maar een belangrijke vooruitgang van het nieuwe theoriewerk was het gebruik van een andere reeks universele kenmerken om rekening te houden met de dynamische omstandigheden van het zich uitbreidende quark-gluonplasma.

"Alle voorspellingen, de manier waarop we tot nu toe op zoek gingen naar een kritiek punt, waren gebaseerd op berekende patronen in de veronderstelling dat je een pan op een fornuis hebt staan ​​- een enigszins statisch systeem, " zei Mukherjee. "Maar QGP breidt zich uit en verandert in de loop van de tijd. Het lijkt meer op kokend water omdat het snel door een pijp stroomt."

Om rekening te houden met de veranderende omstandigheden van de QGP in hun berekeningen, de theoretici namen "dynamische universaliteiten" op die voor het eerst werden ontwikkeld om soortgelijke patroonvorming in de kosmologische expansie van het universum zelf te beschrijven.

"Deze ideeën zijn sindsdien toegepast op andere systemen zoals vloeibaar helium en vloeibare kristallen, " zei Venugopalan. "Yin realiseerde zich dat de specifieke mechanismen van dynamische universaliteit die zijn geïdentificeerd in kosmologie en systemen van gecondenseerde materie, kunnen worden toegepast op het zoeken naar het kritieke punt in zware ionenbotsingen. Dit artikel is de eerste expliciete demonstratie van dit vermoeden."

specifiek, het artikel voorspelt precies naar welke patronen in de gegevens moet worden gezocht - patronen in hoe de eigenschappen van deeltjes die door de botsingen worden uitgestoten, gecorreleerd zijn - naarmate de energie van de botsingen verandert.

"Als de STAR-samenwerking op een bepaalde manier naar de gegevens kijkt en deze patronen ziet, ze kunnen zonder enige twijfel beweren dat ze een kritiek punt hebben gezien, ' zei Venugopalan.