物理学家分析相对论重离子对撞机(RHIC)的数据，这是美国能源部(DOE)科学办公室在美国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，正在寻找证据来确定核物质从一个阶段变化到另一个阶段的所谓临界点。

分析金离子碰撞产生的轻质原子核深入了解原始物质相变

RHIC的STAR合作成员在《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以帮助在核相变路线图上标记该点。一个临界点的证明-核物质从一个阶段转变为另一个阶段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-连接到我们今天所知道的可见物质，甚至是中子星，”华中师范大学(CCNU)RHIC的STAR合作成员XiaofengLuo说。“这在科学上和人类理解我们来自哪里很重要。

关键点搜索方

RHIC的碰撞重现了一种炽热、致密的物质状态，这种状态在大约14亿年前的大爆炸之后只存在了几分之一秒。这种物质被称为夸克-胶子等离子体(QGP)，是“自由”夸克和胶子的汤-构成原子核的质子和中子的组成部分。以各种能量碰撞重离子使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过渡回普通的核物质。

为了寻找临界点的迹象——从QGP到普通物质的过渡类型从平滑交叉(两个阶段共存，如黄油在温暖的日子里逐渐融化)转变为突然转变(如水突然沸腾)——科学家们寻找他们测量的物体的波动来自碰撞。

之前的一项研究发现，通过观察各种碰撞能量下产生的净质子数量，科学家在临界点附近预期的波动类型存在诱人的迹象。质子，每个由三个夸克组成，随着QGP冷却而形成，并且可以作为整体重子密度的替身(重子是由三个夸克组成的所有粒子，其中也包括中子)。

科学家们预计，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合并或聚集在一起形成轻质原子核。因此，在这项研究中，他们试图追踪一种称为氚子的轻质原子核的产量-由一个质子和两个中子组成。看到海卫一生产的波动模式可能有助于他们将关键点归零。

与之前的研究一样，数据由RHIC的电磁跟踪器收集，这是一种称为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年不同能量和温度下的碰撞快照，捕捉了流出的粒子数量和类型的变化。这项新的分析建立在布鲁克海文物理学家ZhangbuXu及其同事在2017年发表的一篇论文的基础上，该论文预测海顿等轻原子核的产量比应与临界点挂钩。

“这些轻原子核的形成需要一定的重子密度，”RHIC的STAR协作成员，CCNU的博士生DingweiZhang说。“如果系统接近临界点，重子密度就会波动很大。因此，我们希望通过这种分析来了解我们是否会看到波动，从而确定关键点。

跟踪轻质原子核(如氘和氚子)在STAR探测器内碰撞产生的当量比的波动应该对临界点敏感。数据(红点)大多与预测(阴影区域)相匹配，但两个外围点可能是科学家期望在临界点周围看到的波动类型的迹象。学分：布鲁克海文国家实验室

分析的大多数碰撞能量的数据与理论家的模型相匹配，即质子和中子通过聚结聚集在一起时新原子核将如何形成。但在两个点上——从19亿选举伏特(GeV)和6GeV的碰撞——数据跳出了模型预测的基线，暗示了那些令人垂涎的波动。

这些积分提供了综合意义，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很敏感，”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，所有这些可观测物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将显示什么。2021年，STAR合作成功完成了光束能量扫描(BESII)的第二阶段，该扫描捕获了各种RHIC能量下的黄金粉碎快照，包括3GeV的最低能量。

“我们希望BESII数据将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，我们可能能够达到声称发现所需的重要性水平。那将是很大的。