Физики нашли необычное поведение сверхплотной ядерной материи с значимостью 5 сигма
Физики коллаборации STAR обнаружили необычный провал в поведении частиц, возникающих при столкновениях ядер золота на коллайдере RHIC. Отклонение от ожидаемого плавного изменения имеет статистическую значимость около 5 сигма и появляется при энергиях, когда в столкновениях создаётся особенно плотная ядерная материя. Результат может быть связан с изменением характера фазового перехода и поисками давно предсказанной критической точки ядерной материи.
Эксперимент проводился с помощью детектора STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории США. Ускоритель сталкивал ядра золота при скоростях, близких к скорости света, позволяя на короткое время создавать чрезвычайно горячую и плотную материю.
При самых высоких энергиях столкновения способны разрушать привычную структуру протонов и нейтронов и создавать кварк-глюонную плазму — состояние вещества, которое существовало в первые мгновения после Большого взрыва. При меньших энергиях ядра распадаются не настолько полно, зато вещество сильнее сжимается и достигает высокой плотности, представляющей интерес и для понимания внутреннего устройства нейтронных звёзд.
В новом анализе исследователи изучили столкновения ядер золота при энергиях от 3 до 7,7 ГэВ на пару нуклонов. Затем результаты сравнили с предыдущими измерениями STAR при энергиях вплоть до 200 ГэВ.
Физики измеряли корреляции поперечного импульса заряженных частиц — то есть насколько движение частиц в одном столкновении отличается от средних значений и как эти отклонения связаны между собой. Поскольку частицы из более горячей среды в среднем получают больший импульс, такие измерения позволяют косвенно исследовать изменения температуры образующегося сгустка вещества.
В наиболее центральных столкновениях корреляции резко уменьшались при повышении энергии от 3 ГэВ, достигали минимума примерно в диапазоне от 5,2 до 7,7 ГэВ, а при дальнейшем увеличении энергии снова начинали расти.
Именно этот провал оказался статистически очень выраженным. Его отклонение от простой плавной зависимости соответствует уровню около 5 сигма. В физике такой результат означает, что вероятность получить подобную структуру исключительно из-за случайных статистических колебаний крайне мала.
Однако 5 сигма относится к самому необычному провалу в данных, а не к обнаружению критической точки. Причина этого поведения пока не установлена.
Физики давно пытаются построить фазовую диаграмму вещества, описываемого квантовой хромодинамикой. При очень высокой температуре переход между обычной ядерной материей и кварк-глюонной плазмой происходит постепенно, без резкой границы между состояниями.
При более высокой плотности и меньшей температуре теоретические модели допускают уже резкий фазовый переход. Если это так, между двумя режимами должна существовать критическая точка — особое состояние, где меняется сам характер превращения одной формы ядерной материи в другую.
Вблизи такой области вещество может реагировать на добавленную энергию необычным образом. Часть энергии способна уходить на перестройку самого состояния вещества, поэтому изменения температуры и связанные с ними характеристики частиц могут отличаться от обычной плавной зависимости.
Обнаруженный STAR провал находится как раз в диапазоне энергий, где некоторые модели допускают подобные эффекты. Поэтому он рассматривается как один из возможных признаков необычного поведения сверхплотной ядерной материи.
Исследователи сравнили результаты и с моделью A Multi-Phase Transport, или AMPT. В неё не включено поведение, связанное с критической точкой. Модель не смогла воспроизвести выраженный провал, наблюдаемый в данных STAR.
В модельных расчётах отклонение от плавной зависимости оказалось значительно слабее — около 2 сигма. В менее центральных реальных столкновениях оно также было намного меньше и составляло примерно 1,4 сигма.
Это усиливает интерес к результату, но всё ещё не доказывает существование критической точки. Возможны другие физические процессы, которые пока недостаточно полно учитываются в моделях.
Дополнительное необычное поведение обнаружили при самой низкой энергии — 3 ГэВ. Обычно с увеличением числа участвующих в столкновении нуклонов корреляции должны изменяться по сравнительно простой закономерности. В самых центральных столкновениях при 3 ГэВ эта зависимость нарушалась, что может указывать на дополнительную динамику очень плотной ядерной материи.
Другие измерения STAR уже давали возможные признаки необычного поведения вещества в том же диапазоне сравнительно низких энергий. В частности, ранее подобные отклонения от плавной зависимости находили при изучении колебаний числа протонов.
Новый результат важен тем, что использует другой показатель — корреляции импульсов частиц. Если несколько независимых методов начнут указывать на одну и ту же область фазовой диаграммы, это сделает интерпретацию значительно убедительнее.
Коллаборация STAR поэтому пока не объявляет об обнаружении критической точки. Чтобы подтвердить её существование, необходимо увидеть согласованную картину сразу в нескольких независимых измерениях и исключить другие возможные объяснения.
RHIC завершил последние столкновения 6 февраля 2026 года после более чем 25 лет работы. Однако эксперимент накопил огромный объём данных, анализ которых будет продолжаться ещё много лет. Именно эти данные могут помочь физикам точнее определить свойства ядерной материи при экстремально высокой плотности.
Исследование принято к в журнале Physical Review Letters.