物理學家們隸屬於 STAR 合作組織，最近報導了有關核物理中一個長期尋找的特徵「臨界點」的最強證據。這個研究團隊分析了不同能量下的金離子碰撞數據，並發現了預期信號的一半。這些發現可能標誌著在極端條件下核物質如何轉變的重要一步。臨界點在核相圖中代表一個獨特的位置，這個位置將夸克和膠子這些構成質子和中子的基本粒子在不同相之間的轉變方式分開。研究人員將其比作水的固態、液態和氣態的相位圖。
在最高能量的金離子碰撞中，質子和中子會融化成夸克-膠子 plasma，這是一種曾經填滿早期宇宙的流體。準確發現這種轉變的條件，一直是相對論重離子對撞機（RHIC）的中心目標。來自華中師範大學的 STAR 合作成員 Xiaofeng Luo 表示：「找到臨界點將在核相圖上留下里程碑式的標記。這將是我們理解物質在極端條件下行為的一個根本性里程碑，涵蓋從宇宙誕生到中子星核心的各種情況。」
科學家們為了尋找臨界點，研究了碰撞中產生的質子數量的波動。這些波動就像天空中的湍流，顯示出物質相之間的邊界。然而，這些變化相當微妙，因此研究人員轉向更高階的統計工具，以揭示質子分佈形狀的變化。來自伊利諾伊大學芝加哥分校的核理論家 Mikhail Stephanov 說：「階數越高，分佈形狀的特性就越微妙，因而所需的精度也越高，以便能夠觀察到這些特性。」他的預測顯示，一個關鍵的測量指標——峭度應該會先下降，再上升超過基線，然後再次下降。「這些變向變化意味著，在某個特定能量下會發生某些其他點不會發生的事情，就像一架飛機——無論是爬升、下降還是巡航——遇到湍流一樣。」
STAR 的新數據顯示，在 200 億電子伏特附近確實出現了這樣的下降。在較低能量下，峭度值再次上升，然後在 7.7 GeV 的基線範圍內穩定下來。「我們在峭度數據中看到了明顯且顯著的最小值，」來自洛倫斯伯克利國家實驗室的 Ashish Pandav 說。他指出，偏差的顯著性範圍介於兩到五個西格瑪，具體取決於所使用的基線。分析表明，預測標誌的一部分已經出現，但另一部分仍未確認。在 7.7 GeV 以下，來自 3 GeV 固定目標碰撞的現有數據沒有顯示出決定性的趨勢。「7.7 和 3 GeV 之間仍然存在很大的差距，」Stephanov 說。STAR 目前已擁有更多低能量數據，並計劃很快填補這一差距。
這些發現標誌著超過 15 年的全球努力，旨在繪製核相圖。這項工作依賴於主要的探測器升級、加速器創新，以及來自伯克利實驗室 NERSC 設施和布魯克海文數據中心的計算能力。「到目前為止，這些特徵是臨界點預期的結果，至少是我們能夠看到的那部分，」Stephanov 說。「但我們仍然需要更深入地理解臨界點是如何產生這些特徵的。」
