美国能源部(DOE)位于布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National laboratory)的核物理研究科学用户设施办公室在相对论重离子对撞机(RHIC)中使用PHENIX探测器，核物理学家在对该探测器的数据进行分析后，在《自然物理》(Nature physics)上发表了另一项证据：证明极小的抛射物与金原子核的碰撞会产生充满早期宇宙的完美流体的微小微粒。科学家们正在研究这种由夸克和胶子(质子和中子的组成部分)构成的热汤，以了解构成我们今天世界的可见物质中把这些粒子聚集在一起的基本力量。创造这种原始汤状物(被称为夸克胶子等离子体)的微小颗粒的能力，最初是出乎意料的，它可以让我们深入了解这种非凡物质的本质属性。
博科园-科学科普：来自科罗拉多大学的"凤凰号"的合作者杰米·奈格说：这项研究是一系列设计用来设计夸克胶子等离子体的实验的高潮（他参与了实验计划的设计以及团队用来测试结果的理论模拟）。PHENIX合作的最新论文全面分析了小型抛射体(单质子、双粒子氘核和三粒子氦-3原子核)与大的金原子核“目标”以接近光速朝相反方向运动的碰撞。研究小组追踪了从这些碰撞中产生的粒子，寻找它们的流动模式与抛射体的原始几何形状相匹配的证据，如果这些微小的抛射体确实在创造一个完美的液体夸克胶子等离子体，这是可以预料到的。RHIC是世界上唯一的加速器，可以在那里进行这样一个严格控制的实验，用一个、两个、三个组成部分组成的粒子碰撞，这些粒子的原子核更大，它们的能量相同。
完美的液体诱导流动
在RHIC两个金原子核之间的碰撞中，“完美”的液体已经是一种根深蒂固的现象。在RHIC中数百个相互碰撞的质子和中子的强大能量融化了这些粒子的边界，允许它们的组成夸克和胶子相互混合并自由相互作用。RHIC的测量结果显示，这种夸克和胶子的混合物流动起来就像一种粘度极低的液体(也就是根据流体动力学理论近乎完美的液体)。粘度的缺乏使得在碰撞早期建立的压力梯度能够持续存在，并影响从碰撞中产生的粒子如何撞击探测器。日本物理研究所发言人秋叶康行(Yasuyuki Akiba)说：如果这种低粘度条件和压力梯度是在小型抛射物与金原子核的碰撞中产生的，那么探测器捕捉到的粒子的形状应该会对每个抛射物的初始形状保留一些‘记忆’——质子是球形的，氘核是椭圆形的，氦-3原子核是三角形的。
如果质子(p)、氘核(d)、氦-3原子核(3He)和金原子核(Au)等小型抛射体之间的碰撞，会产生夸克胶子等离子体的微小热点，探测器捕捉到的粒子图案应该会对每个抛射体的初始形状保留一些“记忆”。PHENIX实验的测量结果与这些预测相吻合，在初始几何形状和最终流型之间具有很强的相关性。图片：Javier Orjuela Koop, University of Colorado, Boulder
秋叶康行是日本物理研究所和日本物理研究所/布鲁克黑文实验室研究中心(RIKEN/Brookhaven Lab Research Center)的物理学家。PHENIX分析了三种碰撞系统中两种不同类型的颗粒流(椭圆和三角形)的测量值，并将它们与基于初始几何形状的预测结果进行了比较。凤凰大学(PHENIX)副发言人茱莉亚?维尔科夫斯卡(Julia Velkovska)说：最新数据（这篇论文中新提出的质子-金碰撞和氘核-金碰撞的三角流测量）完成了这幅图，这是一种独特的可观察到的组合，允许决定性的模型识别。在所有六种情况下，测量结果都与基于初始几何形状的预测相吻合，看到初始几何形状和最终流型之间有很强的相关性，最好的解释是夸克胶子等离子体是在这些小型碰撞系统中产生的。这是非常令人信服的证据。
与理论比较
当一种近乎完美的液体被创造出来时，几何流型自然地在流体力学理论中被描述出来。液滴的几何形状由弹丸的选择控制，这一系列实验旨在测试水动力学假说，并将其与其他产生与初始几何形状无关的粒子关联的理论模型进行对比。其中一种理论强调量子力学的相互作用（特别是在被假定支配加速核内部结构的大量胶子之间）在小规模碰撞系统中观察到的模式中扮演着重要角色。PHENIX团队将他们的测量结果与两种基于流体动力学的理论进行了比较，这两种理论准确地描述了RHIC金-金碰撞中观察到的夸克胶子等离子体，以及基于量子力学的理论预测的夸克胶子等离子体。
美国能源部布鲁克黑文国家实验室核物理研究科学用户设施办公室相对论重离子对撞机(RHIC)的PHENIX探测器。图片：Brookhaven National Laboratory
PHENIX的合作发现数据与夸克胶子等离子体描述最吻合，但与基于量子力学胶子相互作用的预测不符，尤其是六种流型中的两种。本文还包括了金离子与质子的碰撞和氘的碰撞之间的比较，氘被特别选择来匹配碰撞中产生的粒子的数量。根据胶子相互作用的理论预测，无论初始几何形状如何，颗粒的流动模式都应该是相同的。在其他条件相同的情况下仍然可以看到氘核金的椭圆流比质子金的椭圆流大，这与流体动力流理论更加吻合，表明测量结果确实取决于初始几何形状，这并不意味着胶子相互作用不存在，这个理论是建立在物理中的固体现象的基础上的。
但基于我们所看到的，以及我们对理论和数据之间的一致性的统计分析，这些相互作用并不是最终流动模式的主要来源。PHENIX正在分析额外的数据，以确定在小规模碰撞中达到的温度。如果温度足够高，这些测量结果将进一步支持夸克胶子等离子体形成的证据。与理论的相互作用，包括竞争性解释，将继续发挥作用。布鲁克海文实验室负责核与粒子物理学的副主任伯恩特•米勒(Berndt Mueller)呼吁实验物理学家和理论学家在2019年初举行的一个特别研讨会上讨论细节：这种在测量、预测和解释之间进行比较的反复过程是在新发现的道路上迈出的重要一步，正如RHIC项目在其18年的成功运行中所证明的那样。
博科园-科学科普｜研究/来自：布鲁克海文国家实验室
参考期刊文献:《Nature Physics》
DOI: 10.1038/s41567-018-0360-0
发表于 2018-12-14 02:36
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