Niezwykłe zderzenia przy 19.6 GeV
Klucz do rozwiązania tej zagadki kryje się w energii 19,6 miliarda elektronowoltów na parę nukleonów. To właśnie przy tej wartości zespół kierowany przez Xina Donga z Lawrence Berkeley National Laboratory zaobserwował wyraźne odchylenia od przewidywań teoretycznych. Eksperyment polegał na zderzaniu jonów złota rozgrzanych do niewyobrażalnych 4 bilionów stopni Celsjusza. Takie warunki prawdopodobnie panowały we wszechświecie zaledwie mikrosekundy po Wielkim Wybuchu. Teraz naukowcy mogą je odtworzyć w laboratorium, choć na ułamek sekundy.
Czytaj też: Japońscy fizycy na świecznikach. Ich metoda pomiarów kwantowych ma 87% skuteczności
Najciekawsze w tych badaniach jest to, jak subtelne sygnały udało się wychwycić. Zamiast szukać spektakularnych eksplozji czy nowych cząstek, fizycy skupili się na analizie statystycznej rozkładu protonów powstających w kolizjach. Wykorzystali przy tym zaawansowane narzędzia matematyczne zwane kumulantami, które potrafią wykryć wzorce niewidoczne w zwykłych średnich. Stosunek czwartego kumulanta do drugiego wykazał charakterystyczny spadek w pobliżu 19,6 GeV. Osiąga on od 2 do 5 odchyleń standardowych, co w żargonie fizyków oznacza „mocną sugestię” prawdziwego zjawiska. Nie jest to jeszcze pełne potwierdzenie, ale na pewno coś wartego dalszych badań.
Poszukiwania na mapie stanów materii
Cały ten wysiłek wpisuje się w szerszy projekt mapowania jądrowego diagramu fazowego. Można to porównać do tworzenia atlasu różnych stanów skupienia materii w ekstremalnych warunkach. Chromodynamika kwantowa, czyli teoria opisująca silne oddziaływanie, od dawna przewidywała istnienie specjalnych punktów przejściowych. Wcześniejsze pomiary wykluczyły występowanie takiego punktu przy wyższych energiach dostępnych w Wielkim Zderzaczu Hadronów, ale pozostawiały furtkę dla niższych wartości. Obecne wyniki wydają się wskazywać właśnie na tę drugą możliwość.
Najbardziej fascynujące w tych badaniach jest przejście między dwoma skrajnie różnymi stanami materii jądrowej. Z jednej strony mamy znany nam świat, gdzie kwarki i gluony są permanentnie uwięzione wewnątrz protonów i neutronów. Z drugiej istnieje egzotyczna plazma kwarkowo-gluonowa, w której te fundamentalne składniki zyskują niezwykłą swobodę. Obserwowane minimum w pomiarach kumulantów zdaje się potwierdzać przewidywania teoretyczne dotyczące punktu krytycznego. To znacząco zawęża pole poszukiwań dla tego tajemniczego zjawiska.
Co to oznacza dla kosmosu?
Jeśli odkrycie się potwierdzi, może mieć fundamentalne konsekwencje dla naszego rozumienia wszechświata. Przede wszystkim pomoże wyjaśnić, co działo się w pierwszych mikrosekundach po narodzinach kosmosu, gdy cała materia znajdowała się w podobnym ekstremalnym stanie. Równie ważne są implikacje dla astrofizyki. Potwierdzony punkt krytyczny mógłby pomóc w modelowaniu wnętrz gwiazd neutronowych – obiektów tak gęstych, że łyżeczka ich materii ważyłaby miliardy ton. Lepsze zrozumienie tych procesów przełoży się również na modele supernowych i zderzeń gwiazd neutronowych, które obserwujemy dzięki detektorom fal grawitacyjnych.
Czytaj też: Uniwersalny przycisk zmienia fizykę kwantową. Naukowcy czynią cuda jednym ruchem
Wyniki opublikowano w Physical Review Letters, a stojący za publikacją zespół planuje teraz eksperymenty przy jeszcze niższych energiach oraz ponowną analizę dotychczasowych danych. Nieco pesymizmu? Jak najbardziej: w fizyce cząstek nawet pięciokrotne odchylenie standardowe nie zawsze oznacza ostateczne potwierdzenie. Historia zna przypadki, gdy obiecujące sygnały okazywały się jedynie statystycznymi fluktuacjami. Niemniej, jeśli te obserwacje się potwierdzą, stoimy przed jednym z ważniejszych odkryć w fizyce jądrowej ostatnich lat. Nawet jeśli obecne wyniki okażą się jedynie wskazówką, a nie ostatecznym dowodem, pokazują one kierunek dalszych badań. Mapowanie diagramu fazowego materii jądrowej to żmudna praca, wymagająca cierpliwości i precyzji. Każdy kolejny punkt na tej mapie przybliża nas do zrozumienia fundamentalnych sił kształtujących nasz świat.