Вы когда-нибудь задумывались, как горячий бульон из субатомных частиц, наполнявший раннюю Вселенную, превратился в обычную материю современного мира? Физики-ядерщики, изучающие этот вопрос, не могут точно вернуться на 13,8 миллиарда лет назад, чтобы увидеть, что произошло на самом деле, но они могут воссоздать материю при экстремальных температурах и плотностях, существовавших сразу после Большого взрыва, путем столкновения обычных атомных ядер на релятивистском коллайдере тяжелых ионов. (РХИК). При максимальной производительности этот необычайно универсальный ускоритель атомов в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США воспроизводит первичный бульон тысячи раз в секунду. Используя сложные детекторы для отслеживания того, что происходит, когда экзотические частицы выходят из зоны столкновения с температурой в триллион градусов и «замораживаются» в более привычные формы материи, ученые обнаруживают интересные детали того, как происходит переход..
«RHIC дает нам возможность исследовать, что происходит в очень широком диапазоне энергий столкновения», - сказал Чжанбу Сюй, представитель сотрудничества RHIC STAR, одной из двух групп физиков, проводящих эксперименты в RHIC с использованием частиц размером с дом. детекторы. В статье, только что принятой к публикации в Physical Review Letters, данные STAR предполагают, что тип перехода изменяется в зависимости от энергии, которую частицы имеют при столкновении.
Фазовая диаграмма
Ученые ожидали увидеть различные фазы ядерной материи на RHIC, основываясь на своем понимании сильного взаимодействия, метко названного потому, что это самое сильное взаимодействие в Природе. Сильное взаимодействие - это то, что обычно связывает составляющие строительные блоки протонов и нейтронов, из которых состоят атомные ядра - кварки и глюоны. При обычных условиях температуры и плотности он удерживает кварки в составных частицах, известных как адроны (и протоны, и нейтроны - адроны). Но по мере повышения температуры или плотности адроны «плавятся», освобождая кварки. Освобождение кварков, чтобы ученые могли изучать их несвязанные взаимодействия, было одной из основных причин создания RHIC.
Картирование процесса плавления (и повторного замораживания) ядерной материи можно сравнить с картированием знакомых фаз воды - твердого льда, жидкости и газообразного пара или пара. Точно так же, как вы можете нанести точки на график температуры и давления, чтобы показать, какая фаза воды существует для каждой комбинации этих переменных, и линии, которые очерчивают изменения, происходящие между фазами (плавление/замерзание, испарение/конденсация), физики составили предварительную «карту» фаз ядерной материи.
Но нанесение фактических точек и переходов на эту ядерную фазовую диаграмму - и понимание того, что происходит на границах между фазами - требует проведения экспериментов, которые производят широкий диапазон экстраординарных температур и плотностей. RHIC обладает универсальностью для этого, сталкивая два пучка ядер золота (каждый из 197 протонов и нейтронов) с энергиями от 7,7 миллиардов электрон-вольт (ГэВ) на пару сталкивающихся адронов до 200 ГэВ. Результаты этого «сканирования энергии луча», проанализированные STAR, показывают различную природу изменения ядерной фазы.
От непрерывного к внезапному
При самых высоких энергиях RHIC, когда сталкивающиеся частицы создают температуру около 4 триллионов градусов по Цельсию, существует плавный перекрестный переход, при котором отдельные фазы не существуют. Таким образом, в отличие от таяния льда, которое происходит при определенной температуре, когда некоторые молекулы отчетливо существуют в виде твердого льда, а некоторые - в виде жидкой воды во время перехода, переход между нормальными ядрами и горячим супом из свободных кварков происходит более постепенным и непрерывным образом.
Подумайте о таком веществе, как мед: если вы храните банку в холодильнике, мед будет по существу твердым; но когда вы ставите банку на прилавок, мед становится мягче и в конце концов становится жидким по мере того, как его температура постепенно повышается. Переход между твердым телом и жидкостью не происходит при определенной «температуре плавления». Вместо этого фазы плавно переходят из одной в другую.
Из-за «размазывания» фаз при перекрестном переходе ученые даже не проводят сплошной линией на ядерной фазовой диаграмме границу между обычным ядерным веществом и сверхгорячей «кварк-глюонной плазмой» ранняя Вселенная, созданная при самых высоких энергиях столкновения RHIC. Но при более низких энергиях, когда кварк-глюонная плазма создается при относительно более низких температурах, данные STAR показывают признаки более резкой границы - так называемого фазового перехода первого рода, аналогичного знакомым переходам между фазами воды.
Определяющей характеристикой фазового перехода первого рода является «скрытая теплота» - большое количество энергии, поступающее в вещество или высвобождаемое им при переходе молекул или частиц из одной фазы в другую при определенных сочетаниях температур. и плотность.
«Если представить себе кастрюлю с водой на горелке, - сказал физик STAR Джейми Данлоп, - температура будет повышаться до тех пор, пока вы не достигнете точки кипения - 100 градусов по Цельсию при нормальном атмосферном давлении. Жидкая вода останется точно при этой температуре, пока есть вода для кипения. Хотя печь продолжает добавлять тепло, вся эта энергия, скрытая теплота, идет на перемещение молекул воды из жидкого состояния в газообразное, пока все молекулы не пройдут переход Таким образом, фазовый переход от жидкой воды к газу проявляется как временная остановка повышения температуры, которая возобновляется, когда все молекулы воды переходят в газообразное состояние».
В случае вещества на RHIC изменение фазы первого порядка проявляется как временное исчезновение определенного вида потока частиц, наблюдаемого при столкновениях.
Яркие признаки перемен
«Когда мы сталкиваемся с ядрами золота в RHIC, мы наблюдаем, как частицы текут различными путями из точки столкновения», - сказал Ядав Пандит, который получил эти результаты, будучи аспирантом Кентского государственного университета. Пандит - один из сотен молодых ученых, получивших докторскую степень по физике благодаря проведению подробных исследований данных о столкновениях RHIC - в его случае, путем анализа данных STAR об одном конкретном типе потока частиц, называемом направленным потоком, который возникает из-за остаточного движения. частиц, из которых состоят сталкивающиеся ядра.
Вы можете думать о направленном потоке как о сопротивлении: если два ядра золота сталкиваются не по центру и нагревают окружающую область, давление от внезапного расширения вызывает поворот в распределении импульса частиц, когда они продолжают движение. их путь в противоположных направлениях.
«Когда столкновение происходит при энергии, близкой к фазовому переходу первого рода, расширение и результирующее отклонение испускаемых частиц «смягчаются», - сказал Пандит, ныне работающий с докторской диссертацией в Университете Иллинойс. «Энергия, которая обычно расширяла бы систему, вместо этого идет на изменение состояния материи - плавление адронов для освобождения кварков и глюонов."
Данные STAR показывают, что направленный поток силен как при самых низких, так и при самых высоких энергиях RHIC. Но где-то между 10 и 20 ГэВ STAR наблюдает внезапное переключение закручивания частиц. Направленный поток исчезает, позволяя другим типам потока, ранее замаскированным сильным эффектом сопротивления, проявляться в картинах распределения частиц. Это исчезновение или коллапс направленного потока - когда расширение прекращается, а затем возобновляется после того, как вся материя претерпела изменение, - является признаком «скрытой теплоты» фазового перехода первого рода, который искали физики.
Критическая точка?
Поскольку ученые продолжают свой анализ направленного потока, они также ищут признаки того, что называется критической точкой.
«Существуют критические точки, в которых фазовый переход превращается из резкого перехода первого порядка в непрерывный переход», - сказал физик STAR Джин Ван Бюрен из Брукхейвена.«Вы можете думать об этом как о конечных точках линий, очерчивающих фазы на фазовой диаграмме.
"Когда вещество существует в условиях, близких к критическим точкам, его поведение становится неустойчивым, что приводит к усилению флуктуаций измеряемых величин, которые в целом устойчивы при фазовых переходах. В случае перехода от адронной материи к кварк-глюонной плазме при RHIC, мы ищем большие флуктуации в структуре образования частиц, возникающие в результате столкновений."
К счастью, говорит Данлоп из STAR, эти сигналы и наблюдаемое исчезновение направленного потока, по-видимому, происходят в области фазовой диаграммы, где физики RHIC потенциально могут производить больше столкновений. Больше столкновений должно сузить изменчивость данных и дать более точные ответы.
Два усовершенствования, одно для ускорителя RHIC, а другое для детектора STAR, сделают это возможным.
Первый, называемый электронным охлаждением, будет удерживать группы ядер в двух пучках RHIC более плотно упакованными. Плотно упакованные ядра с большей вероятностью столкнутся при пересечении двух лучей; большее количество столкновений поможет ученым увидеть, насколько сильны эти сигналы, и сузить ошибки, связанные с их выводами.
Другое усовершенствование - это предлагаемая модернизация для повышения «приемлемости» детектора STAR - его способности измерять частицы, вылетающие под углами, близкими к направлению встречных лучей.
В настоящее время STAR хорошо обнаруживает частицы под углами до 50 градусов от вертикали (прямо вверх и вниз по сравнению с горизонтальным направлением лучей). Модернизация откроет «окно» для измерения частиц примерно на 15 градусов в каждом направлении, вперед и назад. Это большее окно дает ученым доступ к большему количеству частиц, что опять же снижает количество ошибок. Это также уменьшает потребность ученых в экстраполяции того, что они наблюдают в частицах, которые они могут обнаружить, чтобы сделать вывод о том, что происходит с частицами, приближающимися к лучу.
Эти обновления - всего лишь два примера постоянной жизнеспособности и универсальности RHIC. С каждым запуском эксперимента интригующие результаты поднимают новые вопросы, и физики RHIC разрабатывают и применяют инновационные подходы к изучению тонких деталей физических явлений, которые ранее были недоступны.
Можно сказать, что сама машина продолжает развиваться, поскольку физики все глубже погружаются в эволюцию уникальной материи ранней вселенной, которую они создают в RHIC.
История поиска признаков скрытой течки
Поиск признаков фазового перехода в горячем ядерном веществе, подобного тому, который происходит при кипении воды (фазовый переход первого рода), имеет историю, насчитывающую не менее двух десятилетий. В 1990-х годах теоретики предсказали явление, называемое «коллапсом самой мягкой точки», когда давление возбужденной ядерной материи внезапно падает, а затем снова возрастает, когда ядра сталкиваются в нужном узком диапазоне энергий. Эксперименты на синхротроне с переменным градиентом (AGS) в Брукхейвене не увенчались успехом; энергия АГС была слишком низкой.
Когда RHIC начал работать в 2000 году, противоположная проблема мешала поиску - полная энергия RHIC была слишком высока, чтобы увидеть какие-либо признаки самой мягкой точки. Начиная примерно с 2009 года, физики-ускорители RHIC разработали способы запуска коллайдера при более низких энергиях, чем он был первоначально разработан, но все же выше, чем максимальная энергия AGS. Это впервые открыло золотую середину в энергетике, где есть наилучшие шансы обнаружить неуловимый фазовый переход первого рода.