北京時(shí)間 5 月 3 日消息，想象一下，把密歇根湖中的所有水 —— 大約超過一千萬億加侖 —— 全部倒入一個(gè)在尋常五金店里可以找到的那種四加侖水桶中。直覺告訴我們，這是不可能的：水太多，桶太小。但是，這種不尋常的密度卻是宇宙天體中子星的一個(gè)定義特征。中子星直徑大約只有 15 英里，然而由于某些極端的物理學(xué)原因，它們的質(zhì)量要大于我們的太陽質(zhì)量。
▲藝術(shù)渲染圖：兩個(gè)半透明的球體（分別代表錫原子核）互相碰撞破散落一陣五彩斑斕的碎片。在這些代表質(zhì)子、中子和其簇的碎片中，有一個(gè)介子。圖中顯示為另一個(gè)內(nèi)部帶有兩個(gè)較小球體的半透明球體，這兩個(gè)較小球體則代表夸克。
不過最近，密歇根州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組成功地在地球上模擬出中子星的宇宙狀態(tài)，以更好地探究這種極端科學(xué)。
在實(shí)驗(yàn)中，研究小組選擇用錫來創(chuàng)造富含中子的致密核湯，以更近似地模擬中子星的環(huán)境。在日本理化研究所仁科加速器科學(xué)研究中心，研究團(tuán)隊(duì)將一束錫原子核構(gòu)成的粒子束加速至接近三分之二光速的速度。
隨后，研究人員讓該高速行進(jìn)的粒子束穿過薄薄的錫靶（或錫箔），來撞擊錫原子核。原子核破碎以及殘骸存在的那一瞬間（僅萬億分之一秒中的十億分之一秒）猶如原子核構(gòu)成要素 —— 中子和質(zhì)子 —— 的超稠密區(qū)域。盡管這種環(huán)境稍縱即逝，但存在時(shí)間卻也足夠長(zhǎng)，可以產(chǎn)生介子這種稀有粒子。
通過創(chuàng)造和檢測(cè)這些介子，研究小組可以讓科學(xué)家更好地解答和核科學(xué)與中子星有關(guān)的長(zhǎng)久以來令人困惑的難題。例如，這項(xiàng)研究可以幫助科學(xué)家更好地描述這種 —— 可以防止中子星在其自身引力下塌縮進(jìn)而變?yōu)楹诙吹?—— 內(nèi)部壓力。
▲密歇根州立大學(xué)國(guó)家超導(dǎo)回旋加速器實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)教授兼研究員 Betty Tsang
密歇根州立大學(xué)國(guó)家超導(dǎo)回旋加速器實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)教授兼研究員 Betty Tsang 說：“我們做的實(shí)驗(yàn)無法在其他地方發(fā)生，除了在中子星內(nèi)部?！?/p>
遺憾的是，科學(xué)家無法在中子星內(nèi)部搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。除了超高的溫度和強(qiáng)大的引力之外，最近的中子星離我們也有約 400 光年那么遙遠(yuǎn)。
不過，宇宙中還有另外一個(gè)地方，可以讓科學(xué)家觀察到物質(zhì)堆積地如此致密的現(xiàn)象：粒子加速器實(shí)驗(yàn)室。在粒子加速器實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家可以通過撞擊原子核的辦法將大量核物質(zhì)壓縮到非常小的體積內(nèi)。
當(dāng)然，實(shí)際過程遠(yuǎn)非文字描述那么簡(jiǎn)單。
▲密歇根州立大學(xué)物理與天文學(xué)系核物理教授威廉?林奇
Betty Tsang 繼續(xù)說：“實(shí)驗(yàn)非常困難。也因此，我們團(tuán)隊(duì)這實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到尤其興奮。”密歇根州立大學(xué)物理與天文學(xué)系核物理教授威廉?林奇和 Betty Tsang 為該國(guó)際研究小組的兩位領(lǐng)導(dǎo)研究員。
為了實(shí)現(xiàn)他們?cè)谶@項(xiàng)研究中的共同目標(biāo)，參與實(shí)驗(yàn)的各個(gè)合作機(jī)構(gòu)各自發(fā)揮了自身的優(yōu)勢(shì)。Betty Tsang 說：“這就是我們選擇合作的原因。我們通過擴(kuò)大團(tuán)隊(duì)規(guī)模和邀請(qǐng)真正清楚自己研究領(lǐng)域的人來共同解決問題?！?/p>
密歇根州立大學(xué)牽頭建造了這臺(tái)介子檢測(cè)器。這臺(tái)設(shè)備名為“SπRIT Time Projection Chamber”，由來自德州農(nóng)工大學(xué)與日本理化研究所的協(xié)作人員共同建造。
理化研究所的粒子加速器提供了不可或缺的能量和稀有的富含中子的錫原子核，以創(chuàng)造類似中子星的環(huán)境。來自德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的研究人員貢獻(xiàn)了必須滿足嚴(yán)苛規(guī)格的錫靶。其他亞洲和歐洲機(jī)構(gòu)的學(xué)生與教職員工協(xié)助搭建實(shí)驗(yàn)并分析數(shù)據(jù)。
在理化研究所加速器上進(jìn)行的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有助于將我們對(duì)能量和密度的理解推向新的高度，但仍有許多挑戰(zhàn)有待解決。
2022 年，稀有同位素束設(shè)備（FRIB）投入使用時(shí)，該設(shè)備有望成為核科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際合作中心。該設(shè)備也將具有獨(dú)特設(shè)施，可以繼續(xù)探索核系統(tǒng)在極端能量和密度下的行為。
Betty Tsang 說：“當(dāng) FRIB 上線后，它將為我們提供更多粒子束選擇，并幫助我們開展更加精確的測(cè)量。屆時(shí)，我們有望進(jìn)一步了解中子星的內(nèi)部情況，并發(fā)現(xiàn)更為有趣、更令人驚訝的奧秘?！?/p>
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