Materia powstająca po zderzeniu dwóch jąder tlenu lub neonu może zachowywać się jak ciecz, choć zajmuje obszar znacznie mniejszy od atomu. Wyniki eksperymentu ALICE, współtworzonego przez polskich naukowców, przybliżają odpowiedź na pytanie, jak mała może być taka kropla.

Wodę w szklance opisujemy jako ciecz. Mówimy o jej ciśnieniu, lepkości i przepływie bez śledzenia każdej cząsteczki. To możliwe, ponieważ cząsteczki oddziałują ze sobą i wspólnie reagują na otoczenie. Pojedyncza cząsteczka wody nie popłynie jednak jak strumień. Gdzieś między nią a pełną szklanką kończy się użyteczność opisu materii jako płynu.

W CERN naukowcy badają tę granicę za pomocą zderzeń jąder atomowych rozpędzonych niemal do prędkości światła. „Cieczą” jest tu materia utworzona ze składników jąder. Przy ogromnej koncentracji energii może powstać plazma kwarkowo-gluonowa: stan, w którym kwarki i gluony przestają być zamknięte wewnątrz protonów i neutronów. Podobna materia wypełniała Wszechświat w pierwszych mikrosekundach jego istnienia.

Po zderzeniu dużych jąder ołowiu taka materia wykazuje wspólny przepływ, dobrze opisywany prawami hydrodynamiki. Naukowcy pracujący przy eksperymencie ALICE w CERN sprawdzili teraz znacznie mniejsze układy: zderzenia tlenu-16 i neonu-20. ALICE wykorzystuje ogromny detektor otaczający miejsce zderzeń w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Rejestruje on powstające cząstki i pozwala odtworzyć ich ruch, aby zbadać właściwości wytworzonej materii. Jądra tlenu-16 i neonu-20 zawierają odpowiednio 16 i 20 protonów i neutronów łącznie. To liczba składników przed zderzeniem, ale w jego wyniku powstaje wiele nowych cząstek.

Aby rozpoznać przepływ, detektor mierzy kierunki ruchu cząstek wylatujących po zderzeniu. Jeśli gorąca materia początkowo zajmuje wydłużony obszar, ciśnienie napędza jej rozszerzanie z różną siłą w różnych kierunkach. Powstaje charakterystyczna nierównomierność rozkładu cząstek. Jej wielkość i zmiany między różnymi rodzajami zderzeń można porównać z przewidywaniami dla płynu.

Zespół przeanalizował około trzech miliardów zderzeń tlen–tlen i 400 milionów zderzeń neon–neon, zarejestrowanych w lipcu 2025 roku. Badał także zależności między kierunkami ruchu kilku cząstek naraz, szukając wspólnego zachowania układu. Wyniki opublikowano w „Physical Review Letters” (doi: 10.1103/gymp-vp87).

Dla materii powstającej w tych zderzeniach opis płynowy dobrze tłumaczy wiele cech pomiarów. Modele hydrodynamiczne odtworzyły także korelacje obejmujące cztery cząstki. To mocny argument za tym, że nawet w tak małym układzie może powstać kropla plazmy, której składniki reagują wspólnie. Ciecz nie musi więc mieć rozmiarów widocznych gołym okiem.

W rozstrzygnięciu pomogła budowa jąder. W modelach wewnętrzna struktura neonu jest bardziej wydłużona niż tlenu. W najbardziej centralnych zderzeniach neonu miara eliptycznej nierównomierności rozkładu cząstek była o około osiem procent większa niż dla tlenu. Zależność od początkowej geometrii pasuje do obrazu materii rozszerzającej się jak płyn. Odczytanie tego śladu wymaga jednak modeli uwzględniających kwantową strukturę jąder.

Dokładna dolna granica zachowań kolektywnych właściwych dla cieczy pozostaje otwarta. Już wcześniej w zderzeniach protonów obserwowano sygnały przypominające przepływ, ale ich interpretację utrudnia niepewność co do początkowego układu materii. Nowa praca pokazuje, że tlen i neon pozwalają badać tę granicę w lepiej kontrolowanych warunkach. Nie ustala jednak uniwersalnej liczby cząstek, od której zaczyna się ciecz.

Publikację współtworzyli naukowcy z IFJ PAN, AGH, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Śląskiego i Politechniki Warszawskiej. Polski udział w ALICE obejmuje prace nad detektorami, ich kalibracją, oprogramowaniem i analizą danych. Polskie zespoły uczestniczyły między innymi w budowie i modernizacji komory TPC, która odtwarza tory cząstek, oraz systemu FIT, wykorzystywanego w tej pracy do określania centralności zderzeń.

O granicy płynięcia decydują warunki: siła oddziaływań, rozmiar układu i czas, przez który istnieje. Składniki muszą zdążyć wytworzyć wspólną reakcję, zanim porcja materii się rozproszy. Dla układów powstających w zderzeniach tlenu i neonu pomiary wspierają właśnie taki obraz. Następnym krokiem jest ustalenie, jak daleko można jeszcze zmniejszać kroplę, zanim prawa przepływu przestaną opisywać jej zachowanie. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ zan/