Коллаборация STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов обнаружила необычный минимум в колебаниях импульса частиц при столкновениях ядер золота. Сигнал появляется при энергиях 5,2–7,7 ГэВ и совпадает с одним из признаков, которые теория ожидает вблизи критической точки ядерной материи. Это не доказывает существование такой точки, но сужает область поисков.
Критическая точка лежит на фазовой диаграмме квантовой хромодинамики, где описаны состояния материи из кварков и глюонов при разных температурах и плотностях. Физики десятилетиями выясняют, существует ли граница, где плавное превращение обычного ядерного вещества в кварк-глюонную плазму переходит в резкий фазовый переход. Новые измерения STAR заметно сужают область поисков.
В эксперименте сталкивали ядра золота и измеряли поперечные импульсы заряженных частиц. Горячее вещество передаёт частицам больший импульс, поэтому колебания импульса от события к событию позволяют косвенно проследить изменения температуры крошечного сгустка материи.
Новая серия измерений охватывает энергии от 3 до 7,7 ГэВ. При повышении энергии с 3 ГэВ колебания импульса сначала резко уменьшаются, достигают минимума в области 5,2–7,7 ГэВ, затем снова растут. Простая плавная зависимость такого поведения не объясняет.
Именно спад привлёк внимание физиков. Рядом с предполагаемой критической точкой теплоёмкость вещества должна резко возрастать. Материя в таком состоянии поглощает дополнительную энергию почти без изменения температуры, поэтому температурные колебания должны ослабевать. Минимум в данных STAR соответствует такой картине.
При высоких энергиях столкновения переход между ядерной материей и кварк-глюонной плазмой происходит плавно. При достаточно высокой плотности теория допускает фазовый переход первого рода, когда вещество меняет состояние скачком. Если оба режима существуют, между ними должна находиться критическая точка.
Статистическая значимость около пяти сигм относится к самому немонотонному изменению измеряемой величины. Расчёты с транспортной моделью AMPT не воспроизвели выраженный минимум. Одновременно другая теоретическая модель показала, что похожий эффект может возникнуть без критической точки из-за изменения соотношения барионов и мезонов при росте энергии столкновения.
STAR находил и другие необычные зависимости при низких энергиях, в том числе в колебаниях числа протонов. Совпадение нескольких независимых признаков делает область интересной, но каждый сигнал допускает альтернативные объяснения. Физикам нужны измерения разных характеристик одной материи, которые укажут на одно место фазовой диаграммы.
Коллайдер создаёт состояния вещества, близкие к тем, что существовали в первые микросекунды после Большого взрыва, но низкоэнергетические столкновения RHIC дают более богатую барионами среду. По плотности материя приближается к условиям внутри нейтронных звёзд. Поиск критической точки помогает понять свойства сильного взаимодействия, эволюцию кварк-глюонной материи и поведение вещества при экстремальной плотности.
