據(jù)國外媒體報(bào)道,宇宙是在一次大爆炸中形成的,隨后恒星和星系并非立即誕生形成??茖W(xué)家認(rèn)為,最初的宇宙物質(zhì)是近乎完美的夸克液體,夸克是最小的已知原子組成部分。目前,科學(xué)家在高能量粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)夸克液體存在的證據(jù),越來越多的證據(jù)表明,這些液體能夠以意想不到的方式形成,爆炸性地產(chǎn)生向外流動(dòng)的微小液滴,就像小型液體大爆炸,科學(xué)家們正在研究如何控制該過程。
美國范德堡大學(xué)朱莉婭·維爾科維基卡(Julia Velkovska)教授說:“實(shí)際上,我們通過選擇拋射體類型,從而能夠設(shè)計(jì)液滴的外形結(jié)構(gòu)。簡單地講,我們能夠設(shè)計(jì)令人難以置信的‘夸克湯’液滴,其膨脹過程類似于小型宇宙大爆炸?!?/p>
原子是由電子、質(zhì)子和中子組成,而中子和電子又是由夸克構(gòu)成,夸克和膠子微粒粘合在一起,膠子是一種理論上假設(shè)的無質(zhì)量粒子??淇耸遣豢赡芊蛛x的,如果你投入足夠的能量試圖分離它們,更多的夸克將在該空間中突然出現(xiàn),可能會(huì)導(dǎo)致新粒子“噴涌”。在大約2萬億攝氏度的高溫下,該系統(tǒng)成為帶有夸克的液體,而不是由原子構(gòu)成的液體,作為一種組成部分,該液體被稱為“夸克-膠子等離子體”,有時(shí)也被稱為“夸克湯”。
▲圖中是3個(gè)夸克湯液滴。目前越來越多的證據(jù)表明,這些液體能夠以意想不到的方式形成,爆炸性地產(chǎn)生向外流動(dòng)的微小液滴,就像小型液體大爆炸
瑞士日內(nèi)瓦大型強(qiáng)子對撞機(jī)和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)的研究科學(xué)家表示,通過碰撞原子核制造夸克湯已有十年的歷史,但令人驚訝的是,越來越多的證據(jù)表明,可以使用更小的系統(tǒng)來創(chuàng)建夸克湯,甚至只是使用質(zhì)子,之前科學(xué)家認(rèn)為這是不可能的。相對論重離子對撞機(jī)的PHENIX實(shí)驗(yàn)是下一步理解這種奇怪液體如何形成的最新研究項(xiàng)目。
美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校副教授丹尼斯·佩雷佩利特薩(Dennis Perepelitsa)是PHENIX實(shí)驗(yàn)的合作成員,他說:“5年前,如果有人認(rèn)為這些小得幾乎為零的物質(zhì)(飛米等級或者更小)可能存在多體、集體式動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu),那將被視為一種非常極端的怪異理論。該研究報(bào)告‘徹底證實(shí)’了一些重要的事情正在發(fā)生——夸克湯微小液滴的形成潛能?!?/p>
PHENIX實(shí)驗(yàn)的研究人員宣布了自2014年以來對相對論重離子對撞機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析的結(jié)果。相互碰撞的質(zhì)子束形成了夸克湯球形液滴,這些液滴呈現(xiàn)圓形。氘核(一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合在一起)與金核發(fā)生碰撞,將形成不斷膨脹的圓形結(jié)構(gòu),氦-3核(兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合在一起)與金核發(fā)生碰撞,將形成不斷膨脹的三角形結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)最新研究發(fā)表在《自然物理》雜志上。
這是一項(xiàng)令人興奮的研究結(jié)果,進(jìn)一步證據(jù)表明科學(xué)家可以創(chuàng)造這種奇怪的液體,理論上它們存在于宇宙首次閃光,以令人意想不到的方式進(jìn)行。但是這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中所謂的“集體流動(dòng)”——夸克作為一個(gè)單位的運(yùn)動(dòng)和流動(dòng),僅是這種液體的一個(gè)特征。2017年,科學(xué)家在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的ALICE實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)另一個(gè)特征——“奇異夸克”(strange quark)數(shù)量突然有所增加。
佩雷佩利特薩解釋稱,在金原子碰撞過程中發(fā)現(xiàn)的小原子核碰撞仍然缺少第三個(gè)特征“噴射猝熄”(jet quenching),這是一種對夸克和膠子在高能碰撞中產(chǎn)生粒子流的抑制,這種碰撞過程通常出現(xiàn)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。
他說:“我們在小型系統(tǒng)中還沒有明確看到這種現(xiàn)象,盡管在p+Pb(鉛上的質(zhì)子)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一些有趣的提示,不過在小型系統(tǒng)中仍然缺少清晰的觀測數(shù)據(jù),這表明或許我們需要重新思考,這些數(shù)據(jù)向我們傳達(dá)了大型系統(tǒng)中什么信息?;蛟S該系統(tǒng)太小,無法對噴射產(chǎn)生明顯影響。”
科學(xué)家下步將理解所有這些片段,質(zhì)子碰撞產(chǎn)生的夸克湯如何轉(zhuǎn)化為原子核碰撞產(chǎn)生的夸克湯?關(guān)于這個(gè)令人難以置信的物質(zhì)階段性質(zhì),將告訴物理學(xué)家什么信息?
這些問題是關(guān)于新型加速器和探測器的,由于大型強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行各種改造,將脫機(jī)兩年時(shí)間。布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)的PHENIX實(shí)驗(yàn)將升級成為sPHENIX實(shí)驗(yàn),或許新實(shí)驗(yàn)將開拓科學(xué)家的視野,讓他們洞察分析宇宙早期的本質(zhì)。
維爾科維基卡表示,這是科學(xué)家在最普遍的層面上,使用人類可操控的方法研究宇宙最本質(zhì)的屬性,這本身就是一項(xiàng)偉大的研究成就。
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