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物理学界具有历史意义的重大进展--RHIC 科学家制造出“完美的”液态夸克胶子等离子体
2005-04-26 |文章来源: | 浏览次数:  |

在美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机(RHIC)上开展实验的四个合作探测器组(BRAHMSPHENIXPHOBOSSTAR)称,他们从原子核的基本粒子夸克和胶子中制造出一种新的热密度物质态,但它是一种完全不同的物质态,甚至比预言的更为不同寻常。Photo of Bodman科学家们总结了RHIC前三年的发现,称RHIC重离子对撞形成的物质不像预期的自由夸克和胶子的气体那样飞散,而看起来更像是一种液体。

“由能源部发起的物理研究再次产生具有历史性的成果。”身为化学工程师的能源部长Samuel Bodman(右图)说,“能源部是物理科学基础研究的主要经费提供者,包括核物理和高能物理。从此消息的发布,我们可以看到投入得到了回报。”Photo of Orbach

能源部科学局局长Raymond L. Orbach博士(左图)说:“RHIC关于在金离子对撞中形成的新物质态更像是一种液体而不是气体这一的确令人惊讶的发现,使我们能深刻了解宇宙最初片刻的情景。”

新发现还可能对物理学中的“弦论”产生影响。弦论是以十维空间的概念来解释宇宙的性质,描述重力在黑洞附近的活动情况,并能解释夸克如何在夸克胶子等离子体中运动。

RHIC许多其他也令人极感兴趣的进展是对撞机的结果和用弦论方法进行计算之间出现的联系。弦论是以十维空间而不是三维空间+时间来解释宇宙基本特征的一个概念。

“弦论和RHIC对撞之间的联系,人们未曾预料到,是令人高兴的,”Orbach博士说。“弦论寻求将二十世纪物理的两大智力成果即广义相对论和量子力学统一起来,它可能完全会对二十一世纪的物理产生深刻影响。”

布鲁克海文国家实验室在2005年4月于佛罗里达州坦帕举行的美国物理学学会会议上宣布,RHIC四个合作组在辛勤作了将近一年实验后所写的论文将由《核物理A》杂志同时出版,还将编辑成布鲁克海文专题报告(special Brookhaven report)。

这些概要显示RHIC的一些观测符合关于夸克-胶子等离子体的理论预言。夸克-胶子等离子体是假设宇宙大爆炸后仅几微秒内存在的一种物质。的确,许多物理学家断言RHIC已经表明制造出了夸克-胶子等离子体。Photo of Aronson然而,所有四个合作组都特别提到,实验数据和基于夸克-胶子等离子体形成的简单模型的早期理论预言之间存在着差距。 

在宇宙现有物质中,夸克等被约束在质子和中子内,无法独立存在。RHIC的研究人员从2000年6月起,让金原子核以接近光速的速度相撞,试图以相撞产生的巨大能量和温度“融解”质子和中子,使夸克以自由形态释放出来。

“我们已经达到了预言形成这样等离子体所需要的温度(热比太阳中心高15万倍)和能量密度(能量/单位体积)”,负责高能和核物理的BNL副所长Sam Aronson(右图)说。但分析从2000年6月开始到2003年物理运行所得到的RHIC数据表明,RHIC金离子对撞中形成的物质更像是液体而不是气体。

该证据来自在对单个对撞中产生的成千上万粒子所走轨迹中没有预料到的图形的测量。这些测量结果显示,对撞中产生的原始粒子往往集体移动,以适应压力跨越对撞的原子核形成的体积的变化。科学家们把这个现象称作“流动”,因为它类似流体运动的特性。

但是,不像随便移动的单个分子的普通液体,RHIC上形成的热物质似乎按显示出粒子中高度协调的模式移动—有点儿像作为一个实体做出反应的鱼群,同时穿过变化中的环境。

Aronson 称:“这是个近乎‘完美的’流体运动。”意思是它可用流体动力学的方程式加以解决。展开这些方程式,在理论上描述“完美的”流体—那些具有极低粘性和因粒子中高度相互作用非常迅速达到热平衡的能力。虽然RHIC的科学家们没有直接测量粘性,但是他们可以从流体模式推断,质量上粘性非常低,达到量子机械的极限。

这些事实共同提出了一个引人注目的情况。Aronson说:“实际上,RHIC正形成的物质的集体相互作用程度、快速热能化和极低粘性使其成为历来观测到的最近乎完美的液体。” 

 以上图像将预言中的气体夸克-胶子等离子体态(Figure A,见mpeg animation)的夸克中的相互作用和集体运动,或“流动” 的程度与RHIC上金-金对撞观测到的液态(Figure B,见mpeg animation)加以对比。绿色的"力线"和集体运动(仅在动画中可以看到)显示在被描绘成近乎“完美的”液体中夸克间更高程度的相互作用和流动。

在较早报道(reported earlier)的结果中,RHIC上进行的其他测量显示出,高能夸克和胶子的喷注在横穿对撞中产生的热火球时迅速减缓下来。这个“喷注淬火”证明该新形式的物质中的能量密度格外地高—远远高于由普通核物质组成的介质所能做出的解释。

Aronson说:“最近的发现不排除这个新的物质态实际上是一种形式的夸克-等离子体的可能性,只不过有别于理论的预言。”许多科学家相信这个是这种情况。为解决这一问题,RHIC正在进行详细的测量。

理论物理学家们的标准计算不能将在RHIC上观测到的夸克和胶子之间的强耦合包括进去,现也在重新考虑他们的一些早期模型和预言。为了应对这些问题,他们在一些世界上功率最大的计算机上进行大规模的数字模拟,其他人正试图将定量的粘性测量包括在以近乎光速运动的流体运动方程式里。一个子集的计算采用弦论方法预言RHIC上形成的液体的粘性,并解释其他一些惊人的发现。这些研究将对液体“近乎完美”到何种程度提供更定量的了解。

意外的发现还为实验室以前达不到的极端温度和密度时物质特性的新发现提供了广泛机遇。

布鲁克海文国家实验室所长Praveen Chaudhari说:“发现实验室里重建被认为宇宙诞生后几微秒里存在的近乎完美的液体,的确令人惊愕。四个RHIC合作组现正在收集和分析从第四年和第五年运行得到的新的海量数据,我期待在不久的将来有更多更迷人的发现。”

高能所科研处制作,内容由侯儒成译自布鲁克海文国家实验室2005年4月18日发布的消息。


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