Физики выясняют, когда сильнейшая сила природы дает сбой

Сильное ядерное взаимодействие может внезапно ослабить свою власть над фундаментальными частицами, составляющими материю, в особой «критической точке» — теперь исследователи получают более чёткое представление о том, когда достигается эта точка.

Мы приближаемся к пониманию того, когда сильное ядерное взаимодействие ослабляет свою хватку над самыми базовыми составляющими материи, позволяя кваркам и глюонам внутри частиц внезапно превратиться в горячий суп из частиц.

Существует особое сочетание температуры и давления, при котором все фазы воды – жидкость, лёд и пар – существуют одновременно. Десятилетиями исследователи искали аналогичную «критическую точку» для материи, управляемой сильным ядерным взаимодействием, которое связывает кварки и глюоны в протоны и нейтроны.

Столкновения ионов в коллайдерах частиц могут привести к состоянию, в котором сильное взаимодействие разрушается, позволяя кваркам и глюонам образовать густую «кварк-глюонную плазму». Но пока неясно, предшествует ли этому переходу критическая точка. Син Дун из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии и его коллеги приблизились к разгадке этой тайны.

Они проанализировали количество и распределение частиц, образовавшихся в результате столкновения двух очень энергичных ионов золота на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. По словам Донг, они фактически пытались создать фазовую диаграмму для кварков и глюонов – карту, показывающую, какие типы материи могут образовываться под действием сильного взаимодействия при различных условиях. Новый эксперимент пока не смог точно определить критическую точку на этой карте, но значительно сузил область её возможного нахождения.

На фазовой диаграмме есть участок, где вещество постепенно «плавится» в плазму, подобно размягчающемуся маслу на столе, но критическая точка будет соответствовать более резкому переходу, подобно внезапному появлению кусков льда в жидкой воде, говорит Агнешка Соренсен из Центра редких изотопов в Мичигане, не участвовавшая в исследовании. Новый эксперимент не только послужит ориентиром для поиска этой точки, но и выявит, какие свойства частиц могут дать наилучшие подсказки о её существовании, добавляет она.

Клаудия Ратти из Хьюстонского университета говорит, что многие исследователи с нетерпением ждали этого нового анализа, поскольку он обеспечил точность, недостижимую предыдущими измерениями, и это было достигнуто для той части фазовой диаграммы, где теоретические расчёты, как известно, весьма сложны. В последнее время несколько предсказаний положения критической точки совпали, и перед экспериментаторами, по её словам, стоит задача проанализировать данные для ещё более низких энергий столкновения, соответствующих этим предсказаниям.

Однозначное обнаружение критической точки стало бы прорывом целого поколения, говорит Дун. Это отчасти объясняется тем, что сильное взаимодействие — единственная фундаментальная сила, которая, по мнению физиков, имеет критическую точку. Кроме того, это взаимодействие сыграло значительную роль в формировании нашей Вселенной, поскольку оно определяло свойства горячей и плотной материи, возникшей сразу после Большого взрыва, и до сих пор определяет структуру нейтронных звёзд. Дун считает, что эксперименты на коллайдерах, подобные новому, могут помочь нам понять, что происходит внутри этих экзотических космических объектов, как только мы завершим построение фазовой диаграммы сильного взаимодействия.

Physical Review Letters DOI: 10.1103/9l69-2d7p

Источник: www.newscientist.com