纽约州厄普顿——物理学家正在分析相对论重离子对撞机(RHIC)金离子撞击的数据 ，这是能源部 (DOE) 科学办公室在能源部布鲁克海文国家实验室进行核物理研究的用户设施，正在寻找钉子的证据核物质从一个阶段转变为另一个阶段的所谓临界点。
RHIC 的 STAR Collaboration 成员在 《物理评论快报》上发表的新发现 暗示，预测碰撞中应该出现多少轻质原子核的计算可能有助于在核相变路线图上标出这一点。临界点的证明——核物质从一个相转变为另一个相的方式发生变化的点——是回答有关我们宇宙构成的基本问题的关键。
“你可以把核相图想象成一座桥梁，将过去——大爆炸和早期宇宙——与我们今天所知的可见物质，甚至中子星联系起来，”中央 RHIC STAR 合作组织成员 Xiaofeng Luo 说。中国师范大学 (CCNU) 带领一组学生进行了这项分析。“这在科学上和人类对我们来自哪里的理解都很重要。”
临界点搜索队
RHIC 的碰撞重现了大约 140 亿年前宇宙大爆炸后短暂存在的热致密物质状态。这种被称为夸克-胶子等离子体 (QGP) 的物质是“自由” 夸克和胶子的混合物——构成原子核的质子和中子的组成部分。不同能量的重离子碰撞使 RHIC 物理学家能够研究碰撞如何产生这种原始汤以及它如何转变回普通核物质。
寻找临界点的迹象——从 QGP 到普通物质的转变类型从平滑交叉(两相共存，如黄油在温暖的天气逐渐融化)变为突然转变(如水突然沸腾) - 科学家们寻找他们测量的碰撞产生的事物的波动。
之前的一项研究通过观察在各种碰撞能量下产生的净质子数量，发现了科学家们预期在临界点附近出现的波动类型的诱人迹象 。每个质子都由三个夸克组成，随着 QGP 冷却而形成，并且可以作为整体重子密度的替代品(重子是由三个夸克组成的所有粒子，其中也包括中子)。
科学家预计，随着物质重子密度的增加，当 QGP“冻结”时，这些质子和中子更有可能结合或聚集在一起形成轻质原子核。因此，在这项研究中，他们试图追踪一种被称为氚核的轻型原子核的产量——由一个质子和两个中子组成。看到 triton 生产的波动模式可能有助于他们在临界点上归零。
与之前的研究一样，数据是由 RHIC 的螺线管跟踪器收集的，RHIC 是一种称为 STAR 的粒子探测器，在光束能量扫描 (BES-I) 的第一阶段。该程序记录了 2010 年至 2017 年各种能量和温度下的碰撞快照，捕获流出粒子的数量和类型的变化。这项新分析建立在布鲁克海文物理学家徐章步及其同事于 2017 年发表的一篇 论文 的基础上，该论文预测像氚核这样的轻核的产率应该与临界点挂钩。
“这些轻核的形成需要一定的重子密度，”RHIC STAR Collaboration 成员、华中师范大学博士生张定伟说。“如果系统接近临界点， 重子密度波动很大。所以，我们想通过这个分析看看我们是否会看到波动，从而确定临界点。”
大多数碰撞能量的数据分析与理论家关于质子和中子如何通过聚结聚集在一起形成新原子核的模型相匹配。但在两个点——196 亿选举伏特 (GeV) 和 27 GeV 的碰撞——数据跳出模型预测的基线，暗示了那些令人垂涎的波动。
这些点提供的综合意义仍然低于声称物理发现所需的水平。
“我们希望这种分析对临界点敏感，”罗说。“我们很高兴在这里看到这些异常值，这当然令人鼓舞。最终，如果临界点存在于我们覆盖的能量范围内，那么所有这些可观测值都应该给出一致的信号。”
研究人员期待看到对大量额外碰撞数据的分析会显示什么。2021 年，STAR 合作 成功完成了 束流能量扫描 (BES II) 的第二阶段，捕获了各种 RHIC 能量下的黄金粉碎快照，包括 3 GeV 的最低能量。
“我们希望 BES II 数据能够帮助我们提高对临界点信号的灵敏度，”罗说。“有了更高的统计数据，我们也许能够达到宣称发现所需的重要程度。那会很大。”
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