Сила, удерживающая ядерное вещество вместе — одна из самых мощных в природе, — описывается теорией квантовой хромодинамики (КХД). Основные частицы в КХД — кварки и глюоны, которые обычно связаны внутри составных частиц, называемых адронами, наиболее известными из которых являются протоны и нейтроны. Только при экстремальных температурах около 10¹² K (в миллион раз горячее, чем в центре Солнца) кварки и глюоны могут стать свободными, что приводит к новой фазе вещества, называемой кварк-глюонной плазмой.
При исчезающе малых плотностях переход между ограниченными адронами и кварк-глюонной плазмой плохо определён — он происходит в широком диапазоне температур, а не при определённой температуре. Однако теория предсказывает, что при больших плотностях и умеренно высоких температурах существует критическая точка, где «нечёткость» исчезает, и можно провести чёткое различие между газообразными адронами и жидкоподобной смесью кварков и глюонов [1–3].
Новые данные из эксперимента STAR
Новые данные эксперимента STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке показывают первые намёки на существование этой критической точки (рис. 1) [4]. Если это подтвердится, такое знаменательное обнаружение станет опорной точкой, от которой можно будет начать дальнейшие исследования кварк-глюонной плазмы, потенциально предлагая новые идеи для понимания астрофизических явлений, таких как сверхновые или слияния двойных нейтронных звёзд.
Критическая точка воды
Наиболее знакомая критическая точка — это точка воды. При атмосферном давлении вода имеет три фазы — твёрдую, жидкую и газообразную, — которые разделены фазовыми переходами первого рода. Однако если нагреть и сжать воду до достаточно высоких температур и давлений, становится невозможно легко различить жидкую и газовую фазы — такое слияние фаз называется кроссовером. Критическая точка отмечает границу между этим кроссовером и фазовым переходом первого рода при более низких температурах и давлениях.
История и свойства критических точек
Критические точки были впервые идентифицированы более 200 лет назад физиком Шарлем Кагиньяром де ла Туром, и их поразительные свойства очаровывали физиков с тех пор. Около критической точки частицы становятся коррелированными со своими удалёнными соседями, вызывая большие флуктуации наблюдаемых свойств. Например, капля воды становится белой в своей критической точке (так называемая критическая опалесценция) из-за того, что частицы, связанные на большом расстоянии, заставляют фотоны чаще рассеиваться в материале.
Современное теоретическое понимание критических точек было установлено Кеннетом Уилсоном, которому была присуждена Нобелевская премия по физике 1982 года за его теорию критических явлений в связи с фазовыми переходами.
Критическая точка КХД
Критическая точка КХД особенно интересна, потому что — если её удастся наблюдать — это будет первая критическая точка в фундаментальной силе природы. Более того, наблюдение резкого, недвусмысленного перехода между ограниченными адронами и свободными кварками и глюонами поможет объяснить, почему кварки и глюоны никогда не наблюдаются изолированно. Эта «задача конфайнмента» — одна из проблем тысячелетия, выбранных Математическим институтом Клэя [1].
Измерение критической точки КХД было сложной задачей. Для воды и других конденсированных систем можно просто настроить параметры, чтобы достичь определённой точки на фазовой диаграмме. Но это невозможно для кварк-глюонного вещества. Вместо этого исследователи должны сталкивать тяжёлые ионы в коллайдерах, создавая короткоживущие, высокоплотные концентрации вещества, которые пересекают фазовую диаграмму по мере их расширения и охлаждения.
Эксперимент STAR
Эксперимент STAR предназначен для сортировки обломков столкновений на RHIC. В частности, детекторы эксперимента регистрируют количество протонов и антипротонов, которые выходят из каждого события столкновения. Чистый выход протонов, который представляет собой разницу между количеством протонов и антипротонов, варьируется от события к событию.
Сотрудничество STAR измеряет распределение чистого выхода протонов, «форма» которого, как и у других статистических распределений, описывается его средним значением, дисперсией и другими так называемыми моментами. Более высокие моменты, в частности четвёртый момент, или куртоз, чувствительны к росту длины корреляции в критической точке и, как ожидается, будут демонстрировать немонотонное поведение вблизи критической точки [5].
Поиск критической точки
В своём поиске критической точки эксперимент STAR провёл сканирование энергии пучка, чтобы получить данные в широком диапазоне плотностей, а затем рассчитал моменты чистого выхода протонов при каждой энергии пучка [4]. Из уравнения состояния КХД (которое описывает взаимосвязь между давлением и плотностью) ожидается, что моменты останутся постоянными или будут монотонно уменьшаться с увеличением плотности. Но если критическая точка присутствует, куртоз может демонстрировать немонотонное поведение, включая провалы или пики в зависимости от траектории системы на фазовой диаграмме.
Новые измерения STAR выявили такой провал в отношении четвёртого к второму моменту (C₄/C₂) вблизи энергии столкновения 19,6 ГэВ. Размер провала относительно экспериментального шума соответствует значимости от 2 до 5 сигм (где 5 сигм означали бы обнаружение) [6].
Провал куртоза качественно согласуется с ожиданиями критических явлений. Если действительно была обнаружена критическая точка КХД, местоположение точки (ниже 20 ГэВ) будет означать, что фазовый переход первого рода (подобный переходу между водой и паром) происходит при высоких плотностях, что может быть актуально для сверхновых, слияний двойных нейтронных звёзд и других астрофизических явлений.
Однако важно отметить, что провал не является уникальным признаком критической точки: динамические эффекты, такие как сохранение барионного числа [7] или неравновесная динамика [8], могут вызывать подобное поведение. Наблюдаемый минимум также может быть чувствителен к «замораживанию», которое представляет собой уменьшение взаимодействия частиц по мере расширения системы, и частицы оказываются слишком далеко друг от друга. Расположение условия «замораживания» на фазовой диаграмме может повлиять на появление провала [9].
Хотя новые экспериментальные данные STAR чрезвычайно интересны, их интерпретация потребует дальнейшего теоретического и экспериментального прогресса. Включение критических флуктуаций в динамические модели, такие как релятивистская вязкая гидродинамика, является предметом постоянных усилий [10]. Сотрудничество STAR всё ещё анализирует данные программы сканирования энергии пучка, включая измерения с фиксированной мишенью при более низких энергиях столкновений (3,0–7,7 ГэВ), которые будут исследовать ещё более высокие плотности барионов. Эти будущие экспериментальные результаты в сочетании с новым теоретическим моделированием будут иметь решающее значение для определения того, действительно ли наблюдаемое немонотонное поведение сигнализирует о наличии критической точки КХД.