Ядра золота на пределе скорости выдали неожиданный сигнал

Физики разогнали ядра золота почти до скорости света, столкнули их лоб в лоб и увидели то, чего никто не предсказывал: гладкая закономерность вдруг провалилась. Возможно, это первый намёк на «критическую точку» ядерной материи, то есть на момент, когда вещество Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва меняло своё состояние. Но учёные сразу предупреждают: пока это подсказка, а не доказательство.

Фото: Z22, CC BY-SA 4.0, детектор STAR на коллайдере RHIC, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:STAR_Detector_at_Relativistic_Heavy_Ion_Collider.jpg

Ускоритель, который лепит «кварковый суп»

Эксперимент проведён на детекторе STAR, одном из главных приборов Релятивистского коллайдера тяжёлых ионов, RHIC, в Брукхейвенской национальной лаборатории в штате Нью-Йорк. Длина кольца коллайдера составляет 3834 метра, а работать он начал в 2000 году. Золотые ядра в нём разгоняют до 99,995 процента скорости света. Типичные столкновения происходят при энергии 200 ГэВ на пару нуклонов, а самые «мягкие» режимы, о которых идёт речь здесь, лежат в диапазоне от 3 до 7,7 ГэВ.

Единица ГэВ, гигаэлектронвольт, довольно наглядна: один ГэВ примерно соответствует энергии, заключённой в массе одного протона по формуле Эйнштейна. При столкновении два ядра золота превращаются в крошечный огненный шар. Внутри него протоны и нейтроны «плавятся» и распадаются на составные части, кварки и глюоны. Получившееся состояние называют кварк-глюонной плазмой.

Считается, что именно такая плазма заполняла Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва. На RHIC её получили давно, а в 2010 году физики объявили температуру выше 345 МэВ, около 4 триллионов кельвинов, на тот момент рекордную для лаборатории. Выяснилось и странное: плазма ведёт себя не как разреженный газ, а как жидкость с вязкостью, близкой к квантовому пределу. Это одна из самых «идеальных» жидкостей, известных науке.

Зачем искать критическую точку

Физикам мало знать, что кварк-глюонная плазма существует. Им нужно «уравнение состояния» ядерной материи: правило, которое связывает температуру, давление и плотность. «Для воды оно говорит, когда она замерзает, закипает или расширяется», пояснил соавтор работы Рутик Маникандхан из Университета штата Огайо. Для ядерной материи это, по его словам, главный свод правил поведения вещества в самых экстремальных условиях природы, например в ядрах нейтронных звёзд.

Ключевая веха этого свода называется критической точкой. У воды это условие, при котором граница между жидкостью и паром исчезает. Теоретики давно подозревают, что у ядерной материи есть похожая точка. При очень высокой температуре вещество переходит в плазму плавно, без резкого скачка, а вот при большей плотности переход, возможно, становится резким. Критическая точка отмечала бы место, где один тип перехода сменяется другим.

Расчёты в этой области осторожны. Некоторые недавние вычисления помещают точку в пределы досягаемости низкоэнергетических столкновений на RHIC. Но, как признаёт Маникандхан, «всё это пока лишь предположение, и ничего конкретного нет ни у экспериментаторов, ни у теоретиков». Работа важна и для космологии: изучая материю в столкновениях, физики лучше понимают, как Вселенная эволюционировала из горячего супа кварков в протоны и нейтроны.

Как измеряли и что заметили

Команда изучила примерно миллиард столкновений при энергиях от 3 до 7,7 ГэВ. В самых низких режимах использовали схему с неподвижной мишенью: пучок золотых ядер бьёт не во встречный пучок, а в тонкую золотую фольгу внутри детектора. Так получается самая плотная материя из тех, что умеет создавать RHIC. Чем меньше энергия, тем сильнее сжато вещество.

В каждом столкновении исследователи измеряли, как сильно заряженные частицы отбрасывает в сторону от оси пучка. Эту величину называют поперечным импульсом. Затем они искали корреляции: тянутся ли частицы из одного столкновения «в одну сторону», то есть обе вылетают сильнее среднего или обе слабее. Если огненный шар чуть горячее или расширяется чуть энергичнее, то все его частицы получают общий дополнительный толчок. Поэтому корреляции отражают, насколько колеблются температура и течение вещества.

Вблизи критической точки теплоёмкость материи, то есть энергия, нужная для нагрева на градус, должна резко вырасти. Температуру шара тогда труднее сдвинуть, а значит, корреляции должны ослабнуть. Именно это в самых лобовых столкновениях и увидели. Вместо плавного изменения с энергией корреляции дали провал.

Гладкий тренд ожидаем для обычной ядерной материи, поэтому провал говорит, что при этих условиях происходит что-то более интересное.

Ориентиром служила гладкая линия, построенная по прежним измерениям STAR при более высоких энергиях. Провал отклонился от неё со статистической значимостью в 5 сигм, это стандарт, которого физики обычно требуют, чтобы считать сигнал реальным. Если бы настоящая закономерность была гладкой, такой провал давал бы случайный разброс данных примерно один раз на 3,5 миллиона попыток. Популярная компьютерная модель столкновений без критической точки воспроизвела общий тренд, но не провал. В нецентральных столкновениях намёк на тот же эффект был слабым, и сам по себе он не считается свидетельством.

Почему это ещё не открытие

«Результат наводит на мысль, но не доказывает наличие критической точки», подчёркивает Маникандхан. Эффекты, не связанные с критической точкой, тоже способны влиять на такие колебания, и насколько они могут объяснить провал, пока неясно. Статья вышла 22 сентября в журнале Physical Review Letters.

Тем не менее провал показывает набор условий, при которых поведение ядерной материи меняется. Теоретики получили новое точное измерение, с которым можно сверять расчёты. Следующий шаг команды: использовать корреляции, чтобы вычислить удельную теплоёмкость горячей материи, а затем сравнить её с суперкомпьютерными расчётами, моделирующими кварки и глюоны из первых принципов.

Исследователи также хотят проверить провал на других теоретических моделях и сопоставить его с иными измерениями, например с колебаниями числа протонов, рождающихся в столкновениях. «Только когда согласуются разные измерения, можно уверенно говорить, есть ли критическая точка», отметил Маникандхан. Сам RHIC завершил сбор данных 6 февраля 2026 года, а на его основе строят будущий коллайдер электронов и ионов EIC, выбранный Министерством энергетики США в январе 2020 года. Так что накопленные данные ещё долго будут перебирать теоретики.