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宇宙大爆炸产生的神秘液体竟包含了所有物质?

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关于宇宙的起源,主要理论是宇宙大爆炸(the Big Bang),据该理论,140亿年前宇宙以奇点的形式存在(奇点是一个一维的点,包含大量的基本粒子)。极高的热量和能量导致了宇宙膨胀,扩展成我们现在所知道的宇宙。宇宙的这种扩展在今天仍然在进行。

大爆炸的最初结果是产生了一种炽热而充满能量的液体,温度大约是100亿华氏度(55亿摄氏度),但是这种液体只存在了几微秒,其所包含的物质与一切物质的基本成分一模一样。当宇宙冷却时,粒子衰变或结合产生了所有物质。

这种神秘液体叫做夸克胶子等离子体(QGP),因为它是由夸克这种基本粒子和胶子组成的。物理学家罗西·里德(Rosi J. Reed)把胶子称为“夸克用来相互交谈的东西”。

里德是利哈伊大学物理系的一名助理教授,他的研究领域涉及实验高能物理学等。由于不能回到过去重新研究宇宙是如何开始的,因此,他们通过以接近光速的速度碰撞重离子(如黄金),创造出比太阳内部温度还要高10万倍的环境,从而重新创造了宇宙开始的环境。

这次碰撞模拟了大爆炸后夸克胶子等离子体变成物质的相反过程:热量融化离子的质子和中子,释放出隐藏在其中的夸克和胶子。

目前世界上只有两种运行中的加速器能够进行重离子碰撞且只有一个在美国,即布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)。从纽约长岛的利哈伊开车过去大约三个小时。

里德是STAR合作团队(STAR Collaboration)的一员,该项目是由科学家和工程师组成的一个国际团队,在STAR( Solenoidal Tracker at RHIC)上进行实验。STAR探测器质量很大,重达1200吨,大小和房子一样,由许多探测器组成。STAR的特性是追踪每一次离子碰撞后在RHIC产生的数千个粒子来探究夸克胶子等离子体的特征。

里德说:“进行实验时,我们可以改变两个‘旋钮’:比如黄金之间还是质子之间的碰撞以及碰撞能量。我们可以用不同的方式加速离子以期达到不同的能量质量比。”

研究小组使用不同的STAR探测器可以用不同的碰撞能量碰撞离子。目标是描绘夸克胶子等离子体的相图,即在不同的压力和温度下,材料发生变化时的相变点。描绘夸克胶子等离子体的相图也是在表现强核力,也就是我们所知的量子色动力学(QCD),一种将带正电荷的质子聚集在一起的力。

里德阐述道:“离子的中心有一堆质子和中子,这些带正电荷的粒子应该相互排斥,但有一种‘强大的力量’把它们聚在一起,足以克服它们互相排斥的倾向。”

里德认为理解夸克胶子等离子体的相图,以及等离子体和正常物质之间相变的位置和相变是否存在都至关重要。

里德说:“这是一个难得的机会,可以让我们了解自然界的四大基本力之一是如何在类似于大爆炸后几微秒的温度和能量密度下运作的。”

升级RHIC探测器,更好地绘制“强力”图

STAR团队使用束流能量扫描(BES)进行相变描绘。在计划的第一个阶段(被称为BES-I),团队收集了可观察证据,这些证据暗示着“有趣的结果”。

里德于2018年10月在夏威夷举行的美国物理学会(APS)核物理学部和日本物理学会第五次联席会议上发表关于这一研究成果的演讲。演讲主题是“在RHIC用能量和种类扫描测试夸克胶子等离子体极限”。

然而,有限的统计数据和接受度以及低下的事件平面分辨率导致研究人员无法针对发现得出确切的结论。计划的第二阶段BES-II正在推进中,其中包括里德与STAR团队成员正在进行的一项改进,即升级事件计划检测器(Event Plan Detector)。合作研究人员还包括布鲁克海文大学和俄亥俄州立大学的科学家。

STAR团队计划在2019年和2020年使用新的事件计划检测器继续进行实验并收集数据。据里德透露,新的探测器可以用来精确定位碰撞发生的位置,并将有助于描述碰撞的特征,特别是碰撞的“正面”程度。

里德说:“这也将有助于提高所有其他探测器的测量能力。”

STAR合作团队将于2019年3月在RHIC进行下一个实验。

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