美國能源部(DOE)位于布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National laboratory)的核物理研究科學(xué)用戶設(shè)施辦公室在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)中使用PHENIX探測(cè)器，核物理學(xué)家在對(duì)該探測(cè)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，在《自然物理》(Nature physics)上發(fā)表了另一項(xiàng)證據(jù)：證明極小的拋射物與金原子核的碰撞會(huì)產(chǎn)生充滿早期宇宙的完美流體的微小微粒。

科學(xué)家們正在研究這種由夸克和膠子(質(zhì)子和中子的組成部分)構(gòu)成的熱湯，以了解構(gòu)成我們今天世界的可見物質(zhì)中把這些粒子聚集在一起的基本力量。創(chuàng)造這種原始湯狀物(被稱為夸克膠子等離子體)的微小顆粒的能力，最初是出乎意料的，它可以讓我們深入了解這種非凡物質(zhì)的本質(zhì)屬性。

博科園-科學(xué)科普：來自科羅拉多大學(xué)的"鳳凰號(hào)"的合作者杰米·奈格說：這項(xiàng)研究是一系列設(shè)計(jì)用來設(shè)計(jì)夸克膠子等離子體的實(shí)驗(yàn)的高潮（他參與了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的設(shè)計(jì)以及團(tuán)隊(duì)用來測(cè)試結(jié)果的理論模擬）。PHENIX合作的最新論文全面分析了小型拋射體(單質(zhì)子、雙粒子氘核和三粒子氦-3原子核)與大的金原子核“目標(biāo)”以接近光速朝相反方向運(yùn)動(dòng)的碰撞。研究小組追蹤了從這些碰撞中產(chǎn)生的粒子，尋找它們的流動(dòng)模式與拋射體的原始幾何形狀相匹配的證據(jù)，如果這些微小的拋射體確實(shí)在創(chuàng)造一個(gè)完美的液體夸克膠子等離子體，這是可以預(yù)料到的。RHIC是世界上唯一的加速器，可以在那里進(jìn)行這樣一個(gè)嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)，用一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)組成部分組成的粒子碰撞，這些粒子的原子核更大，它們的能量相同。

完美的液體誘導(dǎo)流動(dòng)

在RHIC兩個(gè)金原子核之間的碰撞中，“完美”的液體已經(jīng)是一種根深蒂固的現(xiàn)象。在RHIC中數(shù)百個(gè)相互碰撞的質(zhì)子和中子的強(qiáng)大能量融化了這些粒子的邊界，允許它們的組成夸克和膠子相互混合并自由相互作用。RHIC的測(cè)量結(jié)果顯示，這種夸克和膠子的混合物流動(dòng)起來就像一種粘度極低的液體(也就是根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論近乎完美的液體)。粘度的缺乏使得在碰撞早期建立的壓力梯度能夠持續(xù)存在，并影響從碰撞中產(chǎn)生的粒子如何撞擊探測(cè)器。日本物理研究所發(fā)言人秋葉康行(Yasuyuki Akiba)說：如果這種低粘度條件和壓力梯度是在小型拋射物與金原子核的碰撞中產(chǎn)生的，那么探測(cè)器捕捉到的粒子的形狀應(yīng)該會(huì)對(duì)每個(gè)拋射物的初始形狀保留一些‘記憶’——質(zhì)子是球形的，氘核是橢圓形的，氦-3原子核是三角形的。

秋葉康行是日本物理研究所和日本物理研究所/布魯克黑文實(shí)驗(yàn)室研究中心(RIKEN/Brookhaven Lab Research Center)的物理學(xué)家。PHENIX分析了三種碰撞系統(tǒng)中兩種不同類型的顆粒流(橢圓和三角形)的測(cè)量值，并將它們與基于初始幾何形狀的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。鳳凰大學(xué)(PHENIX)副發(fā)言人茱莉亞?維爾科夫斯卡(Julia Velkovska)說：最新數(shù)據(jù)（這篇論文中新提出的質(zhì)子-金碰撞和氘核-金碰撞的三角流測(cè)量）完成了這幅圖，這是一種獨(dú)特的可觀察到的組合，允許決定性的模型識(shí)別。在所有六種情況下，測(cè)量結(jié)果都與基于初始幾何形狀的預(yù)測(cè)相吻合，看到初始幾何形狀和最終流型之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，最好的解釋是夸克膠子等離子體是在這些小型碰撞系統(tǒng)中產(chǎn)生的。這是非常令人信服的證據(jù)。

與理論比較

當(dāng)一種近乎完美的液體被創(chuàng)造出來時(shí)，幾何流型自然地在流體力學(xué)理論中被描述出來。液滴的幾何形狀由彈丸的選擇控制，這一系列實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)試水動(dòng)力學(xué)假說，并將其與其他產(chǎn)生與初始幾何形狀無關(guān)的粒子關(guān)聯(lián)的理論模型進(jìn)行對(duì)比。其中一種理論強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)的相互作用（特別是在被假定支配加速核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大量膠子之間）在小規(guī)模碰撞系統(tǒng)中觀察到的模式中扮演著重要角色。PHENIX團(tuán)隊(duì)將他們的測(cè)量結(jié)果與兩種基于流體動(dòng)力學(xué)的理論進(jìn)行了比較，這兩種理論準(zhǔn)確地描述了RHIC金-金碰撞中觀察到的夸克膠子等離子體，以及基于量子力學(xué)的理論預(yù)測(cè)的夸克膠子等離子體。

PHENIX的合作發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與夸克膠子等離子體描述最吻合，但與基于量子力學(xué)膠子相互作用的預(yù)測(cè)不符，尤其是六種流型中的兩種。本文還包括了金離子與質(zhì)子的碰撞和氘的碰撞之間的比較，氘被特別選擇來匹配碰撞中產(chǎn)生的粒子的數(shù)量。根據(jù)膠子相互作用的理論預(yù)測(cè)，無論初始幾何形狀如何，顆粒的流動(dòng)模式都應(yīng)該是相同的。在其他條件相同的情況下仍然可以看到氘核金的橢圓流比質(zhì)子金的橢圓流大，這與流體動(dòng)力流理論更加吻合，表明測(cè)量結(jié)果確實(shí)取決于初始幾何形狀，這并不意味著膠子相互作用不存在，這個(gè)理論是建立在物理中的固體現(xiàn)象的基礎(chǔ)上的。

但基于我們所看到的，以及我們對(duì)理論和數(shù)據(jù)之間的一致性的統(tǒng)計(jì)分析，這些相互作用并不是最終流動(dòng)模式的主要來源。PHENIX正在分析額外的數(shù)據(jù)，以確定在小規(guī)模碰撞中達(dá)到的溫度。如果溫度足夠高，這些測(cè)量結(jié)果將進(jìn)一步支持夸克膠子等離子體形成的證據(jù)。與理論的相互作用，包括競(jìng)爭(zhēng)性解釋，將繼續(xù)發(fā)揮作用。布魯克海文實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)核與粒子物理學(xué)的副主任伯恩特?米勒(Berndt Mueller)呼吁實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論學(xué)家在2019年初舉行的一個(gè)特別研討會(huì)上討論細(xì)節(jié)：這種在測(cè)量、預(yù)測(cè)和解釋之間進(jìn)行比較的反復(fù)過程是在新發(fā)現(xiàn)的道路上邁出的重要一步，正如RHIC項(xiàng)目在其18年的成功運(yùn)行中所證明的那樣。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-018-0360-0

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