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夸克-膠子等離子體

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宇宙「大爆炸」后的極短瞬間會形成超高能量密度,這使得一種稱為「夸克—膠子等離子體」是與質子和中子不同的另一種新型物質形態。

1基本信息

夸克-膠子等離子體-模型圖

  夸克-膠子等離子體-模型圖

現有宇宙理論認為,宇宙形成於距今約120億至150億年前的一次「大爆炸」。宇宙「大爆炸」后的極短瞬間會形成超高能量密度,這使得一種稱為「夸克—膠子等離子體」的物質能夠在約10微秒(1微秒為百萬分之一秒)的極短時間內充斥宇宙,然後再凝聚結合形成原子核等物質。但迄今科學家們還難以對這一理論假設進行檢驗。
歐洲核子中心的最新研究成果使得科學家們能夠驗證「大爆炸」數微秒后的宇宙景象。這項重大突破不僅使物理學的研究疆域拓展至接近宇宙誕生初始,而且對考察宇宙的起源、物質的本性以及對驗證現有的粒子物理標準模型等都有重要意義。
近代物理學研究認為,原子的構造單元是質子和中子等亞原子粒子[1],而亞原子粒子又由夸克等更微觀的基本粒子構成。夸克間通過強力作用組合成質子和中子,而這種強作用力主要通過另一種名為膠子的基本粒子來傳遞。

2形成原理

通常情況下,夸克由於受到強作用力而被子約束於原子核尺度內,自身無法獨立存在。但現有一些理論假設認為,足夠大的能量和溫度應該能拆解質子和中子,並使夸克和膠子重新結合形成所謂「夸克—膠子等離子體」。「夸克—膠子等離子體」是與質子和中子不同的另一種新型物質形態。
夸克-膠子漿成形於兩束相對論性加速的黃金離子對撞點,此對撞點位於STAR探測器的中心;探測器設於美國布魯克哈芬國家實驗室的相對論性重離子對撞機。
為了拆除束縛夸克的強作用力,參加「重離子」計劃的科學家利用鉛離子互相撞擊產生的超高能量進行實驗。

3最新成果

通過對多年實驗的數據進行綜合分析,科學家最近終於發現,在鉛離子的碰撞中有新的物質形態產生,其特徵與理論預測的「夸克—膠子等離子體」的很多特徵相符。
歐洲核子研究中心的公報指出,新成果證明了現有的一些對夸克間基本作用力的預測是正確的,同時也是在了解宇宙早期演化方面向前邁出的重要一步。新成果是國際物理學界通力合作的產物,包括中國在內的20個國家的約500名科學家參與了「重離子」研究計劃。

4存在的新證據

工作於相對論性重離子對撞機(RHIC)的物理學家宣布,他們創造了一種非同尋常的物理條件,有可能發現了夸克-膠子等離子體。現有物理學理論認為,夸克-膠子等離子體是宇宙大爆炸后百萬分之一秒內存在的物質。
RHIC上的最新發現源於2003年1月至3月所進行的一系列實驗,其中包括金核與氘核(氘-金)對撞的實驗、兩束氘核(氘-氘)對撞實驗,並與所做的兩束金核(金-金)對撞的實驗結果作對比分析。
物理學家採用讓金原子核對撞的辦法,試圖在實驗室再現早期宇宙極熱、密度極大的瞬間條件,早先在RHIC上進行的實驗顯示,金原子核撞擊產生的溫度曾比太陽表面溫度高出3億多倍。更重要的是,科學家期待,對撞后的金核內單個質子和中子被融化,釋放出夸克和膠子,可獲得「夸克-膠子等離子體」。而氘核像子彈一樣通過大金核,並未被加熱到極高溫或受到強力壓縮。金核則保持了由質子和中子組成的常態。
原子核的碰撞會導致一對夸克從質子或中子的束縛中掙脫出來,形成兩束由普通粒子組成的「噴注」(jet),科學家利用這些「噴注」來研究核環境。在氘-金對撞實驗中,觀測到兩束「噴注」,但在金-金對撞實驗中,其中一束噴註失蹤了,此外,金-金對撞實驗中所觀測到的高能量單粒子數量比氘-金對撞實驗觀測到的要少。這些差異引起了研究人員興趣,由此說明,金-金對撞所產生的核環境完全不同於氘-金對撞。而夸克-膠子等離子體理論已經預言,如果金原子核碰撞過程中產生「夸克-膠子等離子體」,那麼會產生「噴注猝滅(jet quenching)」現象,其中一束噴注消失。
研究人員在報告這一新發現的同時強調,他們並未完全確認發現了夸克-膠子等離子體。布魯克黑文國家實驗室高能和核物理實驗室的負責人柯克(T.Kirk)說:這是一個激動人心的結果,表明我們正走在科學發現的正確道路上,但是創造夸克-膠子等離子體的研究還沒有結束。
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