Współpraca STAR ogłosiła wyniki, które mogą znacząco wpłynąć na nasze rozumienie fundamentalnych właściwości wszechświata. Ich najnowsze analizy wskazują na charakterystyczne zmiany w zachowaniu materii jądrowej, co może stanowić pierwszy namacalny ślad poszukiwanego punktu krytycznego.
Czym jest punkt krytyczny?
Punkt krytyczny to szczególne miejsce na jądrowym diagramie fazowym, gdzie dochodzi do przejścia między różnymi stanami skupienia kwarków i gluonów. Można to porównać do dokładnej temperatury, w której lód topnieje zamieniając się w wodę, tyle że w mikroskopijnej skali cząstek elementarnych.
Xiaofeng Luo, współpracownik STAR z Central China Normal University, mówi:
Znalezienie punktu krytycznego stanowiłoby kamień milowy na jądrowym diagramie fazowym. Oznaczałoby to fundamentalny przełom w naszym rozumieniu tego, jak materia zachowuje się w ekstremalnych warunkach – od narodzin wszechświata po jądra gwiazd neutronowych.
Eksperymenty prowadzone w Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) w Brookhaven National Laboratory koncentrują się na odtwarzaniu warunków panujących we wczesnym wszechświecie. Podczas kolizji jonów złota przy ogromnych energiach dochodzi do stopienia protonów i neutronów w plazmę kwarkowo-gluonową – stan materii, który wypełniał kosmos w jego najwcześniejszych chwilach.
Naukowcy zastosowali niezwykle pomysłową metodę poszukiwań. Skupili się na badaniu fluktuacji w liczbie protonów powstających podczas kolizji, które działają niczym turbulencje atmosferyczne sygnalizujące granicę między różnymi fazami materii. Kluczową rolę odegrała kurtoza – zaawansowana miara statystyczna opisująca kształt rozkładu danych.
Mikhail Stephanov, teoretyk jądrowy z University of Illinois Chicago, przewidział charakterystyczny wzorzec jej zachowania:
Te zmiany kierunku oznaczają, że istnieje pewna szczególna energia, przy której dzieje się coś, co nie dzieje się w innych punktach. To tak, jakby samolot – niezależnie od tego, czy wznosi się, opada, czy leci na wysokości przelotowej – napotkał turbulencje.
Praca wymagała znaczących modernizacji detektorów, innowacji w technologii akceleratorów oraz ogromnej mocy obliczeniowej. Zespoły wykorzystały zasoby z obiektów NERSC w Berkeley Lab oraz centrów danych Brookhaven do przetworzenia petabajtów informacji pochodzących z kolizji.
Najnowsze dane STAR pokazują dokładnie przewidywany spadek kurtozy w okolicach 20 miliardów elektronowoltów. Przy niższych energiach wartość ponownie rośnie, zanim wróci do normalnego zakresu przy 7,7 GeV – dokładnie zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi. Istotność statystyczna odkrycia wynosi od 2 do 5 sigma w zależności od zastosowanej metodologii. To solidny wynik, choć naukowcy zachowują zdrowy sceptycyzm w interpretacji danych.
Analiza sugeruje, że zespół zaobserwował jedną część przewidywanego sygnału punktu krytycznego, podczas gdy druga połowa pozostaje niepotwierdzona. Istnieje znacząca luka w danych między 7,7 GeV a 3 GeV, którą STAR planuje wypełnić podczas kolejnych badań.
Mikhail Stephanov przyznaje:
Jak dotąd, sygnatury są tym, czego można by oczekiwać od punktu krytycznego, przynajmniej ta ich część, którą możemy zobaczyć. Ale wciąż potrzebujemy znacznie lepszego zrozumienia, w jaki sposób punkt krytyczny wytwarza takie sygnatury.
Odkrycie może mieć fundamentalne znaczenie dla fizyki. Lepsze zrozumienie punktu krytycznego pomoże wyjaśnić, jak zachowywała się materia we wczesnym wszechświecie oraz co dzieje się w jądrach gwiazd neutronowych – najbardziej gęstych obiektów w kosmosie. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.
Brookhaven National Laboratory już planuje kolejne eksperymenty. Przyszły Zderzacz Elektronowo-Jonowy ma dostarczyć jeszcze precyzyjniejszych danych, podczas gdy laboratorium równolegle rozwija inne projekty obejmujące badania od katalizatorów ogniw paliwowych po analizę właściwości alfa plutonu.