Kiedy myślimy o ekstremalnych warunkach, zwykle przychodzą nam do głowy czarne dziury czy odległe galaktyki. Tymczasem równie fascynujące zjawiska mogą zachodzić w skali subatomowej, gdzie oddziaływania silne – te same, które spajają jądra atomów – nagle tracą swoją moc. Pomiary wskazują na ostrą cechę przy energii 19,6 GeV na parę nukleonów, co może oznaczać moment przełomowy w zachowaniu tej fundamentalnej siły.
Czy w końcu znajdziemy punkt krytyczny materii jądrowej?
Żeby zrozumieć wagę tych badań, warto przywołać prostszą analogię. Wyobraźmy sobie wodę, która w zależności od temperatury i ciśnienia przybiera formę lodu, cieczy lub pary. Fizycy poszukują podobnego diagramu dla materii jądrowej, gdzie kwarki i gluony – podstawowe cegiełki protonów i neutronów – zmieniają swoje właściwości w ekstremalnych warunkach. To trochę jak odkrywanie nowych stanów skupienia, tylko w mikroskali.
Czytaj też: Fizycy kwestionują zasadę Carnota. Silniki kwantowe pokonują klasyczne
W normalnych warunkach kwarki i gluony są trwale uwięzione wewnątrz protonów i neutronów, ale gdy poddamy je odpowiednio wysokim temperaturom lub gęstościom, mogą uwolnić się, tworząc coś w rodzaju gorącej zupy elementarnych cząstek. Punkt krytyczny to właśnie ten moment przejścia, gdy materia zmienia swoje fundamentalne cechy. Badania prowadzone przez zespół Xin Dong z Lawrence Berkeley National Laboratory wykorzystują detektor STAR w zderzaczu RHIC, gdzie jony złota są zderzane z ogromnymi energiami.
Eksperyment osiąga temperatury sięgające ok. 4 bilionów stopni Celsjusza, co stanowi wartość setki tysięcy razy wyższą niż temperatura w centrum Słońca. Naukowcy analizują rozkład liczby produkowanych protonów w każdym zderzeniu, stosując zaawansowane narzędzia statystyczne zwane kumulantami. Te matematyczne miary pozwalają wykrywać subtelne wzorce fluktuacji, które mogą wskazywać na bliskość punktu krytycznego – podobnie jak nagłe zmiany w zachowaniu wody tuż przed zmianą stanu skupienia.
Kluczowym odkryciem okazał się spadek stosunku kumulantów czwartego do drugiego rzędu w pobliżu energii 19,6 GeV podczas najbardziej czołowych zderzeń jonów złota. Odchylenie od teoretycznych przewidywań sięga od 2 do 5 odchyleń standardowych, co w fizyce cząstek uznaje się za wynik bardzo znaczący. Obserwowane minima w stosunku związanym z kurtozą – miarą określającą, jak “ciężkie” są ogony rozkładu statystycznego – pasują do przewidywań teoretycznych dla przypadku, gdy punkt krytyczny znajduje się w pobliżu badanego zakresu energii.
Co ciekawe, precyzyjne pomiary z programu BES-II wykluczyły istnienie punktu krytycznego w obszarach dostępnych przy najwyższych energiach zderzacza LHC i RHIC, jednocześnie sugerując jego możliwe występowanie przy niższych energiach. Nowe wyniki stanowią udoskonalenie wcześniejszych wskazań z programu BES-I, oferując znacznie mniejsze niepewności pomiarowe. Dane eksperymentu STAR dla zderzeń przy energiach od 7,7 do 27 GeV na parę nukleonów wyraźnie odbiegają od istniejących modeli teoretycznych, które nie uwzględniają punktu krytycznego.
Żaden z obecnie stosowanych modeli – czy to transport hadronowy, modele termiczne, czy podejścia hydrodynamiczne – nie jest w stanie w pełni odtworzyć obserwowanych cech. To dość wymowne, ponieważ pokazuje, jak wiele jeszcze nie wiemy o zachowaniu materii w ekstremalnych warunkach. Odkrycie punktu krytycznego ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia wczesnego Wszechświata, gdy miał on zaledwie kilka mikrosekund. Właśnie wtedy siła silna kształtowała zachowanie materii w sposób, który ostatecznie doprowadził do powstania pierwszych atomów i struktur kosmicznych.
Równanie stanu opisujące zależność między ciśnieniem a gęstością materii pozwala naukowcom łączyć wyniki laboratoryjne z obserwacjami gwiazd neutronowych. Te niezwykle gęste obiekty, gdzie łyżeczka materii waży tyle co Mount Everest, stanowią naturalne laboratoria do badania ekstremalnych stanów materii. Potwierdzony punkt krytyczny stałby się kluczowym punktem odniesienia dla kurtozy i pomógłby udoskonalić zarówno obliczenia sieciowe, jak i modele transportowe używane do symulacji supernowych i zderzeń gwiazd neutronowych.
Pobieranie danych w trybie Fixed Target, badającym niższe energie i wyższe gęstości barionowe, zakończy się w 2025 roku, gdy RHIC przejdzie w nowy Electron-Ion Collider. Dalsze badania punktu krytycznego będą kontynuowane przez eksperyment Compressed Baryonic Matter w ośrodku FAIR w Niemczech pod koniec tej dekady. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters, otwierają nowy rozdział w zrozumieniu fundamentalnych właściwości materii.