Físicos que estudam colisões de íons de ouro no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Departamento de Ciência dos EUA para pesquisa de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE, estão embarcando em uma jornada através das fases da matéria nuclear - a matéria que constitui os núcleos de toda a matéria visível em nosso universo. Uma nova análise de colisões conduzidas em energias diferentes mostra sinais tentadores de um ponto crítico - uma mudança na forma como quarks e glúons, os blocos de construção de prótons e nêutrons, transformar de uma fase para outra. As evidências, acaba de ser publicado pela STAR Collaboration do RHIC na revista Cartas de revisão física , ajudará os físicos a mapear detalhes dessas mudanças de fase nuclear para entender melhor a evolução do universo e as condições nos núcleos das estrelas de nêutrons.

"Se formos capazes de descobrir este ponto crítico, então nosso mapa de fases nucleares - o diagrama de fase nuclear - pode encontrar um lugar nos livros didáticos, ao lado da água, "disse Bedanga Mohanty do Instituto Nacional de Ciência e Pesquisa da Índia, uma das centenas de físicos que colaboram na pesquisa do RHIC usando o sofisticado detector STAR.

Como Mohanty observou, estudar as fases nucleares é como aprender sobre o sólido, líquido, e formas gasosas de água, e mapear como as transições ocorrem dependendo de condições como temperatura e pressão. Mas com a matéria nuclear, você não pode simplesmente colocar uma panela no fogão e vê-la ferver. Você precisa de aceleradores de partículas poderosos como o RHIC para aumentar a temperatura.

As energias de colisão mais altas do RHIC "derretem" a matéria nuclear comum (núcleos atômicos feitos de prótons e nêutrons) para criar uma fase exótica chamada plasma de quark-gluon (QGP). Os cientistas acreditam que todo o universo existiu como QGP uma fração de segundo após o Big Bang - antes de esfriar e os quarks se unirem (colados por glúons) para formar prótons, nêutrons, e eventualmente, núcleos atômicos. Mas as pequenas gotas de QGP criadas no RHIC medem apenas 10 ^-13 centímetros de diâmetro (que são 0,0000000000001 cm) e duram apenas 10 ^-23 segundos! Isso torna incrivelmente desafiador mapear o derretimento e o congelamento da matéria que constitui nosso mundo.

"Estritamente falando, se não identificarmos o limite da fase ou o ponto crítico, realmente não podemos colocar isso [fase QGP] nos livros didáticos e dizer que temos um novo estado da matéria, "disse Nu Xu, um físico STAR no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE.

Rastreando transições de fase

Para rastrear as transições, Os físicos do STAR aproveitaram a incrível versatilidade do RHIC para colidir íons de ouro (os núcleos dos átomos de ouro) em uma ampla gama de energias.

"RHIC é a única instalação que pode fazer isso, fornecendo feixes de 200 bilhões de elétron-volts (GeV) até 3 GeV. Ninguém pode sonhar com uma máquina tão excelente, "Xu disse.

As mudanças na energia aumentam e diminuem a temperatura de colisão e também variam em uma quantidade conhecida como densidade bariônica, que é um tanto análoga à pressão. Olhando para os dados coletados durante a primeira fase da "varredura de energia do feixe" do RHIC de 2010 a 2017, Os físicos da STAR rastrearam partículas fluindo a cada energia de colisão. Eles realizaram uma análise estatística detalhada do número líquido de prótons produzidos. Vários teóricos previram que essa quantidade mostraria grandes flutuações evento a evento conforme o ponto crítico fosse abordado.

A razão para as flutuações esperadas vem de uma compreensão teórica da força que governa os quarks e glúons. Essa teoria, conhecido como cromodinâmica quântica, sugere que a transição da matéria nuclear normal (prótons e nêutrons "hadrônicos") para QGP pode ocorrer de duas maneiras diferentes. Em altas temperaturas, onde prótons e anti-prótons são produzidos em pares e a densidade bariônica líquida é próxima de zero, os físicos têm evidências de um cruzamento suave entre as fases. É como se os prótons gradualmente derretessem para formar QGP, como manteiga derretendo gradualmente em um balcão em um dia quente. Mas com energias mais baixas, eles esperam o que é chamado de transição de fase de primeira ordem - uma mudança abrupta como a água fervendo em uma temperatura definida enquanto moléculas individuais escapam da panela para se tornarem vapor. Teóricos nucleares prevêem que na transição de fase QGP-para-matéria hadrônica, a produção líquida de prótons deve variar drasticamente à medida que as colisões se aproximam desse ponto de transição.

"Em alta energia, existe apenas uma fase. O sistema é mais ou menos invariante, normal, "Xu disse." Mas quando mudamos de alta energia para baixa energia, você também aumenta a densidade bariônica líquida, e a estrutura da matéria pode mudar à medida que você passa pela área de transição de fase.

"É como quando você anda de avião e entra em turbulência, "ele acrescentou." Você vê a flutuação - bum, estrondo, estrondo. Então, quando você passa pela turbulência - a fase das mudanças estruturais - você está de volta ao normal na estrutura de uma fase. "

Nos dados de colisão RHIC, os sinais dessa turbulência não são tão aparentes quanto alimentos e bebidas quicando nas bandejas de um avião. Os físicos do STAR tiveram que realizar o que é conhecido como "função de correlação de ordem superior" análise estatística das distribuições de partículas - procurando mais do que apenas a média e a largura da curva que representa os dados para coisas como o quão assimétrica e enviesada é essa distribuição.

As oscilações que eles veem nessas ordens superiores, particularmente a inclinação (ou curtose), são uma reminiscência de outra famosa mudança de fase observada quando o dióxido de carbono líquido transparente de repente fica turvo quando aquecido, os cientistas dizem. Essa "opalescência crítica" vem de flutuações dramáticas na densidade do CO2 - variações na compactação das moléculas.

"Em nossos dados, as oscilações significam que algo interessante está acontecendo, como a opalescência, "Mohanty disse.

No entanto, apesar das dicas tentadoras, os cientistas do STAR reconhecem que a faixa de incerteza em suas medições ainda é grande. A equipe espera estreitar essa incerteza para acertar sua descoberta do ponto crítico, analisando um segundo conjunto de medições feitas a partir de muito mais colisões durante a fase II da varredura de energia do feixe do RHIC, de 2019 a 2021.

Toda a colaboração da STAR estava envolvida na análise, Notas de Xu, com um determinado grupo de físicos, incluindo Xiaofeng Luo (e seu aluno, Yu Zhang), Ashish Pandav, e Toshihiro Nonaka, da China, Índia, e Japão, respectivamente - reunião semanal com cientistas dos EUA (em vários fusos horários e redes virtuais) para discutir e refinar os resultados. O trabalho também é uma verdadeira colaboração dos experimentalistas com os teóricos nucleares de todo o mundo e os físicos de aceleradores do RHIC. O último grupo, no departamento de acelerador-colisor do Brookhaven Lab, desenvolveu maneiras de executar o RHIC muito abaixo de sua energia de projeto, ao mesmo tempo em que maximiza as taxas de colisão para permitir a coleta dos dados necessários em baixas energias de colisão.

"Estamos explorando um território desconhecido, "Xu disse." Isso nunca foi feito antes. Fizemos muitos esforços para controlar o ambiente e fazer correções, e estamos aguardando ansiosamente a próxima rodada de dados estatísticos mais elevados, " ele disse.