Fizycy odkrywają, kiedy największa siła natury zawodzi

Zbliżamy się do zrozumienia, kiedy silna siła jądrowa poluzowuje swoje chwyty na najbardziej podstawowe składniki materii, pozwalając kwarkom i gluonom wewnątrz cząstek nagle zamienić się w gorącą zupę cząsteczkową.

Istnieje specjalne połączenie temperatury i ciśnienia, przy którym wszystkie trzy fazy wody – ciekły, lód i para – istnieją jednocześnie. Od dziesięcioleci badacze poszukiwali podobnego „punktu krytycznego” dla materii rządzonej przez silną siłę jądrową, która łączy kwarki i gluony w protony i neutrony.

Uszkadzanie jonów w zderzaczach cząstek może stworzyć stan, w którym silna siła ulega rozkładowi i pozwala kwarkom i gluonom na tworzenie się „cząsteczkowej zupy kwarkowo-gluonowej”. Jednak wciąż niejasne jest, czy ten przejście poprzedza punkt krytyczny. Xin Dong w Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii i jego koledzy zbliżyli się teraz do wyjaśnienia tego.

Analizowali oni liczbę i rozkład cząstek stworzonych w wyniku zderzenia dwóch bardzo energetycznych jonów złota w Zderzaczu Jonów Relatywistycznych Ciężkich w Laboratorium Narodowym Brookhaven w stanie Nowy Jork. Dong mówi, że próbowali stworzyć diagram fazowy kwarków i gluonów – mapę pokazującą, jakie rodzaje materii silna siła pozwala tworzyć się w różnych okolicznościach. Nowy eksperyment nie dokładnie określił punkt krytyczny na tej mapie, ale istotnie zawęził obszar, gdzie mógłby się znajdować.

Na diagramie fazowym istnieje część, w której materia „rozpuszcza się” w stopiony gaz gradualnie, podobnie jak masło mięknące na blacie, ale punkt krytyczny byłby zgodny z bardziej nagłym przejściem, podobnym do gwałtownego pojawienia się kawałków lodu w płynnej wodzie, mówi Agnieszka Sorensen w Facility for Rare Isotope Beams w Michigan, która nie brała udziału w pracy. Nowy eksperyment posłuży nie tylko jako przewodnik, gdzie szukać tego punktu, ale także ujawnił, które właściwości cząstek mogą dać najlepsze wskazówki, że istnieje, twierdzi.

Claudia Ratti na Uniwersytecie w Houston w Teksasie mówi, że wielu badaczy z niecierpliwością oczekiwało tego nowego badania, ponieważ osiągnęło precyzję, której poprzednie pomiary nie mogły osiągnąć, a to dla części diagramu fazowego, gdzie obliczenia teoretyczne są notorycznie trudne. Ostatnio kilka przewidywań dotyczących lokalizacji punktu krytycznego zbiegło się, a wyzwanie dla eksperymentatorów będzie polegało na analizie danych dla jeszcze niższych energii zderzeń odpowiadających tym przewidywaniom, mówi.

Jednoznaczne wykrycie punktu krytycznego byłoby przełomem generacyjnym, mówi Dong. Wynika to między innymi z tego, że silna siła to jedyna fundamentalna siła, której fizycy podejrzewają o posiadanie punktu krytycznego. Dodatkowo ta siła odegrała znaczącą rolę w kształtowaniu naszego wszechświata: rządziła właściwościami gorącej i gęstej materii stworzonej tuż po wielkim wybuchu, i nadal dyktuje strukturę gwiazd neutronowych. Dong mówi, że eksperymenty z zderzaczy jak ten nowy mogą pomóc nam zrozumieć, co dzieje się wewnątrz tych egzotycznych obiektów kosmicznych, gdy ukończymy diagram fazowy silnej siły.