Fizicienii au ciocnit nuclee de aur la o viteză apropiată de cea a luminii și au descoperit un tipar neașteptat în particulele împrăștiate de aceste coliziuni. Dacă va fi confirmat, acel tipar ar putea ajuta la explicarea modului în care supa primordială fierbinte care umplea universul în primele câteva microsecunde de după Big Bang s-a răcit și s-a condensat în protonii și neutronii ce formează materia obișnuită de astăzi, relatează Live Science.
În fiecare coliziune, particulele sunt aruncate în lateral; forța cu care sunt aruncate variază ușor, în medie, de la o coliziune la alta. Fizicienii se așteptau ca amploarea acestor variații să se modifice ușor, pe măsură ce ajustau energia de coliziune. În schimb, variațiile au scăzut, s-au restrâns și apoi au crescut din nou. Această scădere ar putea fi semnul unui „punct critic” mult căutat, un set special de condiții în care materia nucleară își schimbă modul în care trece de la o formă la alta.
Semnalul, detectat de experimentul STAR din cadrul Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) de la Laboratorul Național Brookhaven din New York, este suficient de puternic încât este foarte puțin probabil să fie o întâmplare statistică. Cu toate acestea, cercetătorii au avertizat că această scădere este un indiciu tentant, nu o dovadă a tranziției mult căutate. Ei și-au publicat constatările pe 22 septembrie în revista Physical Review Letters.
Protonii și neutronii sunt alcătuiți din particule mai mici numite quarci, care sunt ținute împreună de „forța tare” purtată de particule numite gluoni. Când sunt încălziți sau comprimați suficient, protonii și neutronii se topesc într-o supă fierbinte de quarci și gluoni liberi, cunoscută sub numele de plasmă de quarci și gluoni. Se crede că această supă primordială de particule a umplut universul în primele milisecunde de după Big Bang.
Fizicienii vor să determine cu exactitate cum s-a produs această „topire a supei”, măsurând așa-numita ecuație de stare a materiei nucleare.
„Pentru apă, aceasta îți spune cum sunt legate presiunea, temperatura și densitatea și, prin urmare, când îngheață, fierbe sau se evaporă”, a declarat într-un e-mail pentru Live Science coautorul studiului, Rutik Manikandhan, cercetător postdoctoral în fizică la Ohio State University.
Pentru materia nucleară, „este setul de reguli de bază pentru materie în cele mai extreme condiții din natură, cum ar fi nucleele stelelor neutronice”, a adăugat Manikandhan.
„Punctul critic” este un reper esențial în acel set de reguli.
„Pentru apă, este punctul în care granița dintre lichid și vapori dispare”, a spus Manikandhan, iar teoreticienii bănuiau de mult că materia nucleară are un punct similar. La temperaturi extrem de ridicate, materia se topește încet și treptat în plasmă de quarci și gluoni, dar la densități mai mari, schimbarea poate deveni bruscă.
Punctul critic ar marca locul în care un tip de tranziție se transformă în celălalt. Unele calcule recente plasează acest punct în raza de acțiune a coliziunilor de energie mai joasă de la RHIC.
„Dar toate acestea sunt încă la nivel de ipoteză și nu există nimic concret deocamdată, nici din partea experimentatorilor, nici a teoreticienilor”, a spus Manikandhan.
Munca este importantă și pentru cosmologie.
„Deoarece materia pe care o creăm în aceste coliziuni seamănă cu materia care umplea universul la câteva microsecunde după Big Bang, cartografierea comportamentului ei ne ajută să înțelegem cum a evoluat universul de la o supă fierbinte de quarci și gluoni la protonii și neutronii care alcătuiesc totul astăzi”, a spus Manikandhan.
Pentru a explora acest domeniu, cercetătorii au operat RHIC la o gamă largă de energii de coliziune. Cu cât energia era mai mică, cu atât materia care se ciocnea era comprimată mai puternic. Pentru rulările la cele mai mici energii, STAR a folosit o configurație cu „țintă fixă”, în care un fascicul de nuclee de aur lovește „o foiță subțire de aur plasată în interiorul detectorului”, în loc de un al doilea fascicul care vine din sens opus, a spus Manikandhan.
Acest lucru produce cea mai densă materie pe care o poate crea RHIC.
Energiile de coliziune sunt măsurate în electronvolți (energia pe care o câștigă un electron când este accelerat la o tensiune de 1 volt). Aceasta este o cantitate minusculă, așa că fizicienii de particule lucrează de obicei în miliarde de electronvolți sau giga-electronvolți (GeV). Un GeV este aproximativ energia înmagazinată în masa unui singur proton, conform celebrei ecuații a lui Einstein, E = mc2. Echipa a analizat aproximativ 1 miliard de coliziuni la energii cuprinse între 3 și 7,7 GeV per pereche de protoni sau neutroni care se ciocnesc. Aceasta este limita inferioară a domeniului RHIC, care atinge 200 GeV.
În fiecare coliziune, echipa a măsurat forța cu care particulele încărcate au fost aruncate în lateral din bila de foc, o mărime cunoscută sub numele de impuls transversal. Cercetătorii au căutat apoi corelații între particule. O corelație măsoară dacă două lucruri tind să se schimbe împreună. Aici, echipa a verificat dacă perechile de particule din aceeași coliziune tindeau ambele să fie aruncate mai tare decât media sau ambele mai ușor. Acest lucru dezvăluie ceva despre bila de foc ca întreg. Dacă o bilă de foc este puțin mai fierbinte sau se extinde mai puternic, toate particulele sale primesc împreună un impuls lateral suplimentar.
„Acele corelații reflectă cât de mult fluctuează temperatura și fluxul bilei de foc”, a spus Manikandhan.
Aproape de un punct critic, este de așteptat ca capacitatea termică a materiei, cantitatea de energie necesară pentru a-i crește temperatura, să crească brusc. Acest lucru face ca temperatura bilei de foc să fie mai greu de modificat, astfel încât corelațiile ar trebui să slăbească.
„Dacă materia se apropie de un punct critic sau de o schimbare de fază, ne-am aștepta ca acele corelații să se modifice într-un mod neobișnuit, neliniar, pe măsură ce variem energia de coliziune”, a spus Manikandhan.
Aceasta este ceea ce echipa a observat în cele mai frontale coliziuni.
„În loc să se schimbe lin cu energia, corelațiile arată o scădere”, a spus Manikandhan.
Cercetătorii au comparat datele cu o tendință lentă, ancorată pe măsurători anterioare ale STAR la energii mai mari. Scăderea se abate de la acea tendință cu o semnificație statistică de 5 sigma, pragul pe care fizicienii îl cer de obicei înainte de a considera un semnal ca fiind real. Aceasta înseamnă că, dacă tendința reală ar fi fost lină, o împrăștiere aleatorie a datelor ar produce o scădere atât de pronunțată doar o dată la aproximativ 3,5 milioane de încercări.
„O tendință lină este ceea ce te-ai aștepta de la materia nucleară obișnuită, așa că o scădere sugerează că se întâmplă ceva mai interesant în acele condiții”, a spus Manikandhan.
În schimb, o simulare pe computer utilizată pe scară largă pentru aceste coliziuni, care nu conține niciun punct critic, a reprodus tendința generală, dar nu și scăderea.
„Rezultatul este sugestiv, nu o dovadă a unui punct critic”, a spus Manikandhan.
Efecte care nu au legătură cu un punct critic pot influența, de asemenea, aceste fluctuații, iar măsura în care ele ar putea explica această scădere rămâne neclară, au menționat cercetătorii.
Cu toate acestea, scăderea „indică un set de condiții în care comportamentul materiei nucleare se modifică și le oferă teoreticienilor o nouă măsurătoare precisă pentru a-și testa calculele”, a spus Manikandhan.
În continuare, echipa intenționează să folosească aceste corelații pentru a „extrage căldura specifică a materiei fierbinți”, a spus Manikandhan.
Oamenii de știință o vor compara apoi cu simulări pe supercomputere care calculează comportamentul quarcilor și gluonilor pe baza primelor principii.
Cercetătorii intenționează, de asemenea, să testeze această scădere în raport cu mai multe modele teoretice și să o combine cu alte măsurători, cum ar fi fluctuațiile numărului de protoni produși în coliziuni.
„Numai atunci când diferite măsurători coincid vom putea spune cu certitudine dacă există un punct critic”, a spus Manikandhan.
Editor : M.B.
About the Author
