Natuurkundigen die botsingen van goudionen bestuderen bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), een U.S. Department of Energy Office of Science gebruikersfaciliteit voor kernfysisch onderzoek bij DOE's Brookhaven National Laboratory, beginnen aan een reis door de fasen van nucleaire materie - het spul dat de kernen vormt van alle zichtbare materie in ons universum. Een nieuwe analyse van botsingen uitgevoerd bij verschillende energieën toont verleidelijke tekenen van een kritiek punt - een verandering in de manier waarop quarks en gluonen, de bouwstenen van protonen en neutronen, transformeren van de ene fase naar de andere. De bevindingen, zojuist gepubliceerd door RHIC's STAR Collaboration in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , zal natuurkundigen helpen om details van deze nucleaire faseveranderingen in kaart te brengen om de evolutie van het universum en de omstandigheden in de kernen van neutronensterren beter te begrijpen.

"Als we dit kritieke punt kunnen ontdekken, dan kan onze kaart van nucleaire fasen - het nucleaire fasediagram - een plaats vinden in de leerboeken, naast die van water, " zei Bedanga Mohanty van India's National Institute of Science and Research, een van de honderden natuurkundigen die bij RHIC samenwerken aan onderzoek met behulp van de geavanceerde STAR-detector.

Zoals Mohanty opmerkte, het bestuderen van nucleaire fasen lijkt een beetje op leren over de vaste stof, vloeistof, en gasvormige vormen van water, en in kaart brengen hoe de overgangen plaatsvinden afhankelijk van omstandigheden als temperatuur en druk. Maar met nucleaire materie, je kunt niet zomaar een pan op het fornuis zetten en hem zien koken. Je hebt krachtige deeltjesversnellers zoals RHIC nodig om het vuur op te voeren.

De hoogste botsingsenergieën van RHIC "smelten" gewone nucleaire materie (atoomkernen gemaakt van protonen en neutronen) om een ​​exotische fase te creëren die een quark-gluonplasma (QGP) wordt genoemd. Wetenschappers geloven dat het hele universum een ​​fractie van een seconde na de oerknal als QGP bestond - voordat het afkoelde en de quarks aan elkaar bonden (gelijmd door gluonen) om protonen te vormen, neutronen, en eventueel, atoomkernen. Maar de kleine druppels QGP die bij RHIC zijn gemaakt, meten slechts 10 ^-13 centimeters doorsnee (dat is 0,00000000000001 cm) en ze gaan maar 10 . mee ^-23 seconden! Dat maakt het ongelooflijk uitdagend om het smelten en bevriezen van de materie waaruit onze wereld bestaat in kaart te brengen.

"Strikt genomen, als we de fasegrens of het kritieke punt niet identificeren, we kunnen deze [QGP-fase] echt niet in de leerboeken plaatsen en zeggen dat we een nieuwe staat van materie hebben, " zei Nu Xu, een STAR-fysicus bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE.

Faseovergangen volgen

Om de overgangen te volgen, Natuurkundigen van STAR maakten gebruik van de ongelooflijke veelzijdigheid van RHIC om goudionen (de kernen van goudatomen) te laten botsen over een breed scala aan energieën.

"RHIC is de enige faciliteit die dit kan, met stralen van 200 miljard elektronvolt (GeV) tot 3 GeV. Niemand kan dromen van zo'n uitstekende machine, ' zei Xu.

De veranderingen in energie zetten de botsingstemperatuur op en neer en variëren ook een hoeveelheid die bekend staat als de netto baryondichtheid die enigszins analoog is aan druk. Kijkend naar gegevens verzameld tijdens de eerste fase van RHIC's "beam energy scan" van 2010 tot 2017, STAR-natuurkundigen volgden deeltjes die bij elke botsingsenergie naar buiten stroomden. Ze voerden een gedetailleerde statistische analyse uit van het netto aantal geproduceerde protonen. Een aantal theoretici had voorspeld dat deze hoeveelheid grote schommelingen per gebeurtenis zou vertonen naarmate het kritieke punt nadert.

De reden voor de verwachte fluctuaties komt van een theoretisch begrip van de kracht die quarks en gluonen regeert. die theorie, bekend als kwantumchromodynamica, suggereert dat de overgang van normale nucleaire materie ("hadronische" protonen en neutronen) naar QGP op twee verschillende manieren kan plaatsvinden. Bij hoge temperaturen, waar protonen en anti-protonen in paren worden geproduceerd en de netto baryondichtheid bijna nul is, natuurkundigen hebben bewijs van een soepele overgang tussen de fasen. Het is alsof protonen geleidelijk smelten om QGP te vormen, zoals boter die op een warme dag langzaam smelt op een aanrecht. Maar bij lagere energieën, ze verwachten wat een eerste-orde faseovergang wordt genoemd - een abrupte verandering zoals water dat kookt op een ingestelde temperatuur wanneer individuele moleculen uit de pot ontsnappen om stoom te worden. Kerntheoretici voorspellen dat in de faseovergang van QGP naar hadronische materie, de netto protonproductie zou drastisch moeten variëren naarmate botsingen dit omschakelingspunt naderen.

"Bij hoge energie, er is maar één fase. Het systeem is min of meer invariant, normaal, " zei Xu. "Maar als we van hoge energie naar lage energie veranderen, je verhoogt ook de netto baryondichtheid, en de structuur van materie kan veranderen als je door het fase-overgangsgebied gaat.

"Het is net als wanneer je in een vliegtuig zit en in turbulentie terechtkomt, "voegde hij eraan toe. "Je ziet de fluctuatie - boem, boom, boom. Vervolgens, wanneer je de turbulentie passeert - de fase van structurele veranderingen - ben je weer normaal in de eenfasige structuur."

In de RHIC-botsingsgegevens, de tekenen van deze turbulentie zijn niet zo duidelijk als eten en drinken dat in een vliegtuig van dienbladtafels stuitert. STAR-natuurkundigen moesten een statistische analyse van de "hogere-ordecorrelatiefunctie" uitvoeren van de verdelingen van deeltjes - op zoek naar meer dan alleen het gemiddelde en de breedte van de curve die de gegevens voorstelt, zoals hoe asymmetrisch en scheef die verdeling is.

De trillingen die ze in deze hogere orden zien, met name de scheefheid (of kurtosis), doen denken aan een andere beroemde faseverandering die wordt waargenomen wanneer transparante vloeibare kooldioxide plotseling troebel wordt bij verhitting, zeggen de wetenschappers. Deze "kritische opalescentie" komt van dramatische fluctuaties in de dichtheid van de CO2 - variaties in hoe dicht de moleculen zijn gepakt.

"In onze gegevens de oscillaties geven aan dat er iets interessants aan de hand is, zoals de opalescentie, ' zei Mohanty.

Maar ondanks de verleidelijke hints, de STAR-wetenschappers erkennen dat het bereik van onzekerheid in hun metingen nog steeds groot is. Het team hoopt die onzekerheid te verkleinen om hun kritische puntontdekking vast te leggen door een tweede reeks metingen te analyseren die zijn gemaakt van veel meer botsingen tijdens fase II van RHIC's bundelenergiescan, van 2019 tot 2021.

De hele STAR-samenwerking was betrokken bij de analyse, Xu merkt op, met een bepaalde groep natuurkundigen, waaronder Xiaofeng Luo (en zijn student, Yu Zhang), Ashish Pandav, en Toshihiro Nonaka, uit China, Indië, en Japan, respectievelijk - wekelijkse ontmoeting met de Amerikaanse wetenschappers (over vele tijdzones en virtuele netwerken) om de resultaten te bespreken en te verfijnen. Het werk is ook een echte samenwerking van de experimentatoren met kerntheoretici over de hele wereld en de versnellerfysici bij RHIC. De laatste groep, in de Collider-Accelerator-afdeling van Brookhaven Lab, manieren bedacht om RHIC ver onder zijn ontwerpenergie te laten werken en tegelijkertijd de botsingsfrequenties te maximaliseren om de verzameling van de nodige gegevens bij lage botsingsenergieën mogelijk te maken.

"We verkennen onbekend terrein, " zei Xu. "Dit is nog nooit eerder gedaan. We hebben veel moeite gedaan om de omgeving te beheersen en correcties aan te brengen, en we kijken reikhalzend uit naar de volgende ronde van hogere statistische gegevens, " hij zei.