Результаты, только что опубликованные STAR Collaboration RHIC в Письма с физическим обзором, поможет физикам составить карту условий температуры и плотности, при которых может существовать экзотическая материя, известная как кварк-глюонная плазма (QGP), и определить ключевые особенности фаз ядерной материи.

"Освобождающие" кварки и глюоны

Создание и изучение QGP было центральной целью исследований в RHIC. С тех пор как коллайдер начал работать в 2000 году, широкий спектр измерений показал, что наиболее энергичные столкновения атомных ядер - при 200 миллиардах электрон-вольт (ГэВ) - "расплавляют" границы протонов и нейтронов, высвобождая на мимолетное мгновение кварки и глюоны, из которых состоят обычные ядерные частицы. Различные измерения показали, что QGP существует вплоть до 19,6 ГэВ. В новом анализе использовались данные, собранные детектором RHIC STAR во время первой фазы сканирования энергии пучка RHIC, для систематического поиска энергии, при которой прекращается образование этого термализованного состояния кварков и глюонов.

"Мы проанализировали 10 энергий столкновения - от энергии центра масс 200 ГэВ, которая является самой высокой энергией столкновения RHIC между двумя золотыми лучами, до 3 ГэВ, когда один золотой луч сталкивается со стационарной золотой мишенью", - сказал Ашиш Пандав, студент Национального института научного образования Индии. и исследований (NISER), в настоящее время размещенный в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (LBNL). "Эти данные дают нам самый широкий на сегодняшний день охват ядерной фазовой диаграммы - карты того, как изменяется ядерное вещество в зависимости от температуры и плотности".

Чтобы определить, был ли создан QGP при каждой энергии столкновения, ученые изучили распределение протонов, образующихся при каждом событии столкновения.

Систематический анализ

"Мы измеряли, событие за событием, количество протонов минус количество произведенных антипротонов и распределение этого чистого производства протонов", - сказал Бедангадас Моханти, профессор физики в NISER. Моханти и команда STAR проанализировали данные по различным характеристикам распределения, включая среднее значение, дисперсию, степень искажения данных и так далее, вплоть до так называемых 5^th и 6^th характеристики заказа. Затем они сравнили свои наблюдения с предсказаниями, рассчитанными с использованием уравнений квантовой хромодинамики (КХД), теории, описывающей взаимодействия кварков и глюонов, смоделированные на дискретной пространственно-временной решетке.

"В это численное моделирование КХД встроено формирование термализованной кварк-глюонной плазмы, поэтому, если данные соответствуют прогнозам, это свидетельствует о присутствии QGP", - сказал Моханти.

Иерархический порядок

Расчеты КХД предсказывают иерархический порядок характеристик распределения чистых протонов - и что определенные соотношения между этими характеристиками должны иметь отрицательные значения. Данные по ЗВЕЗДАМ указывают на то, что эти термодинамические закономерности обычно сохраняются при всех, кроме самой низкой энергии столкновения.

"Мы знаем, что при 200 ГэВ столкновения RHIC создают QGP, но как насчет следующей энергии, 62,4 ГэВ, 54,4 ГэВ, 39, 27, 19,6?" - сказал Ну Сюй, физик из LBNL и бывший представитель STAR. "При всех этих энергиях мы обнаружили предсказанную иерархию и отрицательные значения - это означает, что все данные при этих энергиях согласуются с термализованным QGP".

Ниже 19,6 ГэВ данные продолжали соответствовать прогнозам, хотя столбики ошибок, указывающие на диапазон неопределенности в отношении этих измерений, были большими.

"Для этих энергий нам нужно больше данных", - сказал Сюй.

Но при самой низкой энергии, 3 ГэВ, ученые увидели резкий сдвиг. Порядок иерархии среди проанализированных характеристик изменился - как и знак ключевых взаимосвязей, с отрицательного на положительный.

"Это изменение знака является надежным признаком, подтвержденным расчетами первых принципов, что образование кварк-глюонной плазмы прекращается при самой низкой энергии столкновения RHIC", - сказал Сюй.

Определенность в математике

Уверенность ученых обусловлена тем фактом, что сравнения, которые они использовали, основаны на чисто математических описаниях QGP, а не на моделях, основанных на приближениях кварк-глюонных взаимодействий. Они сравнивают этот подход, основанный на "первых принципах", с решением простейших уравнений классической физики - таких как закон Ньютона (сила = масса х ускорение) или понимание влияния скорости на то, как далеко вы можете продвинуться (скорость х время = расстояние).

"В данном случае речь идет о решении взаимодействий кварков и глюонов с использованием КХД, которая имеет гораздо более сложные уравнения", - сказал Моханти.

Для этой работы требовались мощные компьютеры, в том числе в RHIC и ATLAS Computing Facility (RACF) в Брукхейвенской лаборатории, Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в LBNL и консорциуме Open Science Grid.

"Эти вычислительные ресурсы и решетчатая КХД - подход к решению уравнений, учитывающий кварк-глюонные взаимодействия на 4D пространственно-временной решетке, - позволили значительно продвинуться в нашей способности делать точные прогнозы о поведении характеристик более высокого порядка сохраняемых распределений зарядов в КХД", - сказал Фритьоф Карш, бывший брукхейвенский Теоретик лаборатории, ныне работающий в Университете Билефельда в Германии, который является соавтором статьи о предсказаниях КХД. "Очень интересно видеть, как эти прогнозы, сделанные на основе расчетов первых принципов, подтверждаются экспериментальными данными RHIC".

Ученые надеются еще больше укрепить уверенность в своих выводах и поиске точки отключения QGP, проанализировав данные с помощью программы RHIC Beam Energy Scan II (BES II). Этот массив данных уменьшит неопределенность всех результатов, особенно для энергий ниже 19,6 ГэВ.

"В термализованной системе мы видим плавную динамику от 200 ГэВ до 62 ГэВ вплоть до 19,6. Затем мы видим нечто "неровное" между 20 и 3 ГэВ", - сказал Сюй.

Более ранний анализ колебаний чистого производства протонов предположил, что бугристость может быть признаком особой комбинации температуры и давления, при которой меняется способ образования QGP из обычного ядерного вещества. Эти результаты и добавление данных из BES II помогут сузить поиск этой так называемой критической точки.

"Все это взаимосвязано", - сказал Сюй.

Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства здравоохранения, Национальным научным фондом США и широким кругом международных финансирующих агентств, перечисленных в документе. Операции RHIC финансируются Управлением науки Министерства здравоохранения. RHIC и NERSC являются пользовательскими средствами Управления науки Министерства здравоохранения.