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物理学家创造出了“夸克汤”,像“大爆炸”一样扩展

物理学家创造出了“夸克汤”,像“大爆炸”一样扩展

三种形状的夸克 - 胶子等离子体液滴

宇宙始于一场大爆炸,事情立刻变得奇怪起来。

恒星和星系不是立刻形成的。科学家认为,物质最初是一种近乎完美的夸克流体,夸克是已知的最小的原子成分。他们在高能粒子对撞机实验中发现了这些流体的证据。现在,越来越多的证据表明,这些流体可以意想不到的方式形成,产生向外爆炸的微小液滴,就像液态“大爆炸”的缩影,科学家们正在开始对它们进行控制。

范德比尔特大学(Vanderbilt University)教授朱莉娅·维尔科夫斯卡(Julia Velkovska)说:“我们实际上能够通过选择射弹物质的类型来设计液滴的形状。”

原子由电子、质子和中子组成,而后两个则进一步由夸克组成,夸克是由称为胶子的粒子粘合在一起的。夸克是不可能分离的,如果你投入足够的能量试图将它们拉开,更多的夸克将会在中间的空间出现,可能导致新粒子的“喷射”。在大约2万亿摄氏度的温度下(参照温度的科学定义,即粒子的平均动能--粒子探测器本身并不那么热),这个系统可以变成以夸克作为组成部分的液体,而不是由原子组成的。这种液体被称为“夸克-胶子等离子体”,有时也称为“夸克汤”。

瑞士日内瓦的大型强子对撞机和布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子对撞机(RHIC)的科学家十年来一直通过碰撞原子核来制造这种液体。但更令人惊讶的是,越来越多的证据表明,他们可以用更小的系统制造夸克-胶子等离子体,甚至只是质子,这在以前被认为是不可能的。在相对论性重离子对撞机的PHENIX实验中,科学家们的一项新研究是理解这种奇怪的流体及其形成的下一步。

物理学家创造出了“夸克汤”,像“大爆炸”一样扩展

科罗拉多大学博尔德分校助理教授丹尼斯·佩雷埃利萨(Dennis Perepelitsa)说:“就在五年前,人们认为可以在这些极小(飞秒级或更小的)的系统中拥有多体、集体动力学,那将是异端邪说。”这篇论文“彻底地证实了”一些重要的事情正在发生:夸克-胶子等离子体微小液滴的潜在产生。

相对论性重离子对撞机的PHENIX实验的研究人员现在宣布了对自2014年以来在对撞机上获取的数据进行建模和分析的结果。一束束相互碰撞的质子形成了夸克-胶子等离子体的球形水滴,这些水滴呈圆形扩展。氘(一个质子和一个中子)与金原子核碰撞产生膨胀的椭圆,氦-3核(两个质子和一个中子)与金原子核碰撞产生膨胀的三角形。他们在《自然物理》杂志上发表了他们的研究结果。

这是令人兴奋的东西。进一步的证据表明,科学家能够以意想不到的方式创造出这种理论上存在于宇宙第一瞬间的奇怪液体。但是这个实验所报告的所谓的“集体流动”-夸克作为一个单元的行为和流动,仅仅是液体的一个特征。去年,在大型强子对撞机的ALICE实验中,科学家发现了另一个这样的特征,一种叫做奇异夸克的夸克数量的增加。但是,研究人员解释说,在金原子的碰撞中,较小的原子核的碰撞仍然缺少第三个特征:“喷射猝灭”,这是是对高能碰撞中夸克和胶子产生的粒子射流的抑制,通常见于这些实验中的探测器。

维尔科夫斯卡说:“虽然在p+Pb(铅质子)数据中有一些有趣的暗示,但我们还没有在小系统中明确地看到这种现象。尽管如此,在小系统中缺乏清晰的观察表明,也许我们需要重新考虑这些数据告诉我们的关于大系统的信息。也许这些系统太小了,不能对喷射产生明显的影响。

物理学家创造出了“夸克汤”,像“大爆炸”一样扩展

下一步是把所有这些片段放在一起理解。质子碰撞产生的夸克汤如何转化为原子核碰撞产生的夸克汤?这告诉物理学家关于这个令人难以置信的物质阶段的本质是什么?

这些都是新的加速器和探测器需要面对的问题。大型强子对撞机将在两年内停止运行,因为它将进行各种改造,相对论性重离子对撞机的PHENIX将被升级为SPHENIX,也许更新的实验将进一步打开科学家们对我们宇宙最早时刻的本质的视野。

维尔科夫斯卡说,但在最普遍的层面上,科学家们已经找到了一种方法来控制人类可以接触到的最热阶段的物质。他说:“就其本身而言,这是一项伟大的事业。

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