Το «σημείο καμπής» της Πυρηνικής Ύλης: Συγκρούσεις χρυσού αποκαλύπτουν ενδείξεις κρίσιμης μετάβασης

Ένα νέο επιστημονικό αποτέλεσμα έχει στρέψει το βλέμμα της διεθνούς κοινότητας στο πεδίο της πυρηνικής φυσικής. Η συνεργασία STAR Collaboration, που δραστηριοποιείται στο Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) του Brookhaven, ανακοίνωσε ότι σε συγκρούσεις ιόντων χρυσού εξαιρετικά υψηλής ενέργειας παρατηρήθηκαν διακυμάνσεις στον αριθμό των παραγόμενων πρωτονίων. Οι διακυμάνσεις αυτές, που θυμίζουν τις κινήσεις ενός αεροσκάφους όταν συναντά ατμοσφαιρικές αναταράξεις, θεωρούνται η πιο πειστική ένδειξη μέχρι σήμερα για την ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου στη φάση της πυρηνικής ύλης.

Τι είναι το κρίσιμο σημείο στην πυρηνική φυσική

Η έννοια του κρίσιμου σημείου προκύπτει από την προσπάθεια των φυσικών να περιγράψουν πώς τα σωματίδια που αποτελούν τους πυρήνες – τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από κουάρκ και γλουόνια – αλλάζουν κατάσταση υπό ακραίες συνθήκες. Όπως το νερό μπορεί να υπάρξει ως πάγος, υγρό ή ατμός, έτσι και η πυρηνική ύλη ακολουθεί το δικό της «διάγραμμα φάσεων».

Σε ακραίες θερμοκρασίες και ενέργειες, όπως αυτές που επιτυγχάνονται στο RHIC, οι πυρήνες δεν παραμένουν ακέραιοι αλλά «λιώνουν», σχηματίζοντας ένα πρωταρχικό υγρό κουάρκ και γλουονίων. Πρόκειται για το ίδιο πλάσμα που γέμιζε το Σύμπαν στα πρώτα του κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang.

Το κρίσιμο σημείο θα αντιπροσώπευε το όριο ανάμεσα σε διαφορετικούς τρόπους μετάβασης της ύλης αυτής. Ο εντοπισμός του θα αποτελούσε μια θεμελιώδη κατάκτηση, με προεκτάσεις που ξεκινούν από την κατανόηση των συνθηκών αμέσως μετά το Big Bang και φτάνουν μέχρι τις ακραίες διεργασίες στο εσωτερικό των αστέρων νετρονίων.

Οι διακυμάνσεις που φανερώνουν το «αόρατο»

Για να αναζητήσουν το κρίσιμο σημείο, οι επιστήμονες ανέλυσαν στατιστικά τις διακυμάνσεις στον αριθμό των πρωτονίων που παράγονταν στις συγκρούσεις. Αυτές οι διακυμάνσεις, όπως οι αναταράξεις στον αέρα που προδίδουν αλλαγές στην ατμόσφαιρα, ενδέχεται να αποκαλύπτουν μεταβάσεις στη συμπεριφορά της ύλης.

Η ομάδα χρησιμοποίησε εξελιγμένα στατιστικά εργαλεία υψηλής τάξης, ικανά να καταγράψουν λεπτές μεταβολές στην κατανομή των πρωτονίων. Μία από τις κρίσιμες μετρήσεις είναι η καμπυλότητα, η οποία σύμφωνα με τα θεωρητικά μοντέλα θα πρέπει να μειώνεται, στη συνέχεια να αυξάνεται και τελικά να σταθεροποιείται όσο πλησιάζουμε στο κρίσιμο σημείο.

Στα δεδομένα που συλλέχθηκαν, η καμπυλότητα εμφάνισε μια ξεκάθαρη πτώση γύρω στα 20 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ ανά νουκλεόνιο, με επιστροφή στη βασική στάθμη στις 7,7 GeV. Το μοτίβο αυτό συνιστά περίπου τη μισή από την αναμενόμενη θεωρητική «υπογραφή» του κρίσιμου σημείου. Πρόκειται δηλαδή για ένα μερικό, αλλά σημαντικό σήμα, με στατιστικές αποκλίσεις που κυμαίνονται από δύο έως πέντε σίγμα, ανάλογα με τα μοντέλα αναφοράς. Σε ακόμη χαμηλότερες ενέργειες, κάτω από 7,7 GeV, οι διαθέσιμες μετρήσεις δεν έχουν δώσει μέχρι στιγμής ξεκάθαρα αποτελέσματα, αφήνοντας ανοιχτό ένα εύρος τιμών που περιμένει διερεύνηση.

Μια προσπάθεια δεκαπενταετίας

Το πείραμα αποτελεί καρπό εργασίας που ξεπερνά τα δεκαπέντε χρόνια. Για να φτάσουν σε αυτό το επίπεδο ακρίβειας, οι ερευνητές χρειάστηκαν σημαντικές αναβαθμίσεις τόσο στους ανιχνευτές όσο και στις υπολογιστικές υποδομές. Από το κέντρο δεδομένων στο Berkeley μέχρι τον υπερυπολογιστή του Brookhaven National Laboratory, το τεχνολογικό υπόβαθρο έπαιξε καθοριστικό ρόλο στο να αναδειχθούν οι λεπτές διακυμάνσεις που διαφορετικά θα χάνονταν μέσα στο χάος των συγκρούσεων.

Ένα βήμα, αλλά όχι το τέλος

Για τους θεωρητικούς, ανάμεσά τους και τον Mikhail Stephanov που είχε προβλέψει εδώ και χρόνια την τάση αυτή, τα αποτελέσματα είναι συναρπαστικά αλλά όχι τελεσίδικα. Όπως εξηγούν, η άλλη μισή «υπογραφή» του κρίσιμου σημείου παραμένει να επιβεβαιωθεί. Ήδη συλλέγονται πρόσθετα δεδομένα σε χαμηλότερες ενέργειες, τα οποία ίσως σύντομα δώσουν πιο καθαρή εικόνα για το αν το κρίσιμο σημείο της πυρηνικής ύλης έχει επιτέλους εντοπιστεί.

Η σημασία της ανακάλυψης

Η πιθανότητα αναγνώρισης του κρίσιμου σημείου δεν είναι απλώς μια νίκη της θεωρητικής φυσικής. Σηματοδοτεί μια νέα εποχή στην κατανόηση των θεμελιωδών συστατικών του Σύμπαντος. Είτε επιβεβαιωθεί είτε όχι στα επόμενα χρόνια, η πρόοδος αυτή δείχνει πώς η σύγχρονη επιστήμη συνδέει τις πιο μικροσκοπικές κλίμακες με τα μεγαλύτερα κοσμικά ερωτήματα: από το τι συνέβη στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang, μέχρι το πώς συμπεριφέρεται η ύλη στα εσωτερικά των πιο πυκνών άστρων που γνωρίζουμε.

[via]