Físicos que estudian las colisiones de iones de oro en el colisionador de iones pesados ​​relativista (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación de la física nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, se embarcan en un viaje a través de las fases de la materia nuclear, la materia que constituye el núcleo de toda la materia visible de nuestro universo. Un nuevo análisis de colisiones realizado a diferentes energías muestra signos tentadores de un punto crítico:un cambio en la forma en que los quarks y gluones, los bloques de construcción de protones y neutrones, transformar de una fase a otra. Los resultados, recién publicado por RHIC's STAR Collaboration en la revista Cartas de revisión física , ayudará a los físicos a trazar los detalles de estos cambios de fase nuclear para comprender mejor la evolución del universo y las condiciones en los núcleos de las estrellas de neutrones.

"Si podemos descubrir este punto crítico, entonces nuestro mapa de fases nucleares, el diagrama de fases nucleares, puede encontrar un lugar en los libros de texto, junto a la del agua, "dijo Bedanga Mohanty del Instituto Nacional de Ciencia e Investigación de la India, uno de los cientos de físicos que colaboran en la investigación del RHIC utilizando el sofisticado detector STAR.

Como señaló Mohanty, estudiar las fases nucleares es algo así como aprender sobre el sólido, líquido, y formas gaseosas de agua, y trazar un mapa de cómo se llevan a cabo las transiciones en función de condiciones como la temperatura y la presión. Pero con materia nuclear, no se puede simplemente poner una olla en la estufa y verla hervir. Necesita aceleradores de partículas potentes como RHIC para aumentar la temperatura.

Las energías de colisión más altas del RHIC "derriten" la materia nuclear ordinaria (núcleos atómicos hechos de protones y neutrones) para crear una fase exótica llamada plasma de quark-gluón (QGP). Los científicos creen que todo el universo existió como QGP una fracción de segundo después del Big Bang, antes de que se enfriara y los quarks se unieran (pegados por gluones) para formar protones. neutrones, y eventualmente, núcleos atómicos. Pero las pequeñas gotas de QGP creadas en RHIC miden solo 10 ^-13 centímetros de ancho (eso es 0.0000000000001 cm) y duran solo 10 ^-23 ¡segundos! Eso hace que sea increíblemente desafiante trazar un mapa del derretimiento y congelamiento de la materia que compone nuestro mundo.

"Estrictamente hablando, si no identificamos ni el límite de fase ni el punto crítico, realmente no podemos poner esta [fase QGP] en ​​los libros de texto y decir que tenemos un nuevo estado de la materia, "dijo Nu Xu, un físico STAR en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.

Seguimiento de las transiciones de fase

Para rastrear las transiciones, Los físicos de STAR aprovecharon la increíble versatilidad de RHIC para colisionar los iones de oro (los núcleos de los átomos de oro) en una amplia gama de energías.

"RHIC es la única instalación que puede hacer esto, proporcionando haces desde 200 mil millones de electronvoltios (GeV) hasta 3 GeV. Nadie puede soñar con una máquina tan excelente, "Dijo Xu.

Los cambios de energía hacen subir y bajar la temperatura de colisión y también varían una cantidad conocida como densidad bariónica neta que es algo análoga a la presión. Al observar los datos recopilados durante la primera fase del "escaneo de energía del haz" de RHIC de 2010 a 2017, Los físicos de STAR rastrearon las partículas que fluían con cada energía de colisión. Realizaron un análisis estadístico detallado del número neto de protones producidos. Varios teóricos habían predicho que esta cantidad mostraría grandes fluctuaciones evento por evento a medida que se acerque al punto crítico.

La razón de las fluctuaciones esperadas proviene de una comprensión teórica de la fuerza que gobierna los quarks y gluones. Esa teoría, conocida como cromodinámica cuántica, sugiere que la transición de la materia nuclear normal (protones y neutrones "hadrónicos") a QGP puede tener lugar de dos formas diferentes. A altas temperaturas, donde los protones y anti-protones se producen en pares y la densidad de bariones neta es cercana a cero, los físicos tienen evidencia de un cruce suave entre las fases. Es como si los protones se derritieran gradualmente para formar QGP, como la mantequilla que se derrite gradualmente en un mostrador en un día caluroso. Pero a energías más bajas, esperan lo que se llama una transición de fase de primer orden:un cambio abrupto como el agua hirviendo a una temperatura establecida cuando las moléculas individuales escapan de la olla para convertirse en vapor. Los teóricos nucleares predicen que en la transición de fase de QGP a materia hadrónica, La producción neta de protones debería variar drásticamente a medida que las colisiones se acercan a este punto de cambio.

"Con mucha energía, solo hay una fase. El sistema es más o menos invariante, normal, ", Dijo Xu." Pero cuando cambiamos de alta energía a baja energía, también aumenta la densidad bariónica neta, y la estructura de la materia puede cambiar a medida que atraviesa el área de transición de fase.

"Es como cuando viajas en avión y entras en turbulencias, ", agregó." Ves la fluctuación, boom, auge, auge. Luego, cuando pasa la turbulencia, la fase de cambios estructurales, vuelve a la normalidad en la estructura de una fase ".

En los datos de colisión RHIC, los signos de esta turbulencia no son tan evidentes como los alimentos y bebidas que rebotan en las bandejas de un avión. Los físicos de STAR tuvieron que realizar lo que se conoce como análisis estadístico de la "función de correlación de orden superior" de las distribuciones de partículas, buscando algo más que la media y el ancho de la curva que representa los datos, como qué tan asimétrica y sesgada es esa distribución.

Las oscilaciones que ven en estos órdenes superiores, particularmente el sesgo (o curtosis), recuerdan otro famoso cambio de fase observado cuando el dióxido de carbono líquido transparente de repente se vuelve turbio cuando se calienta, dicen los científicos. Esta "opalescencia crítica" proviene de fluctuaciones dramáticas en la densidad del CO2, variaciones en cuán compactas están las moléculas.

"En nuestros datos, las oscilaciones significan que está sucediendo algo interesante, como la opalescencia, "Dijo Mohanty.

Sin embargo, a pesar de las tentadoras sugerencias, Los científicos de STAR reconocen que el rango de incertidumbre en sus mediciones aún es grande. El equipo espera reducir esa incertidumbre para concretar el descubrimiento de su punto crítico mediante el análisis de un segundo conjunto de mediciones realizadas a partir de muchas más colisiones durante la fase II del escaneo de energía del haz del RHIC. desde 2019 hasta 2021.

Toda la colaboración de STAR estuvo involucrada en el análisis, Xu señala, con un grupo particular de físicos, incluido Xiaofeng Luo (y su estudiante, Yu Zhang), Ashish Pandav, y Toshihiro Nonaka, de China, India, y japón, respectivamente, reuniéndose semanalmente con los científicos de EE. UU. (en muchas zonas horarias y redes virtuales) para discutir y refinar los resultados. El trabajo también es una verdadera colaboración de los experimentadores con los teóricos nucleares de todo el mundo y los físicos de aceleradores del RHIC. El último grupo, en el Departamento de Aceleradores de Colisionadores de Brookhaven Lab, ideó formas de ejecutar RHIC muy por debajo de su energía de diseño y, al mismo tiempo, maximizó las tasas de colisión para permitir la recopilación de los datos necesarios a bajas energías de colisión.

"Estamos explorando un territorio inexplorado, "Dijo Xu." Esto nunca se ha hecho antes. Hicimos muchos esfuerzos para controlar el medio ambiente y hacer correcciones, y estamos esperando ansiosamente la próxima ronda de datos estadísticos más altos, " él dijo.