数万亿度?宇宙大爆炸原始夸克胶子等离子体!

物理学家们通过将粒子击碎在一起,可能创造出了宇宙中最小的流体液滴——一个质子大小的滚烫的原始汤珠。这种粒子汤是夸克胶子等离子体,在宇宙大爆炸后的最初几微秒内充满了宇宙流体,有几万亿度,几乎没有任何摩擦,以接近光速的速度掠过。

物理学家们通过将粒子击碎在一起,可能创造出了宇宙中最小的流体液滴——一个质子大小的滚烫的原始汤珠。这种粒子汤是夸克胶子等离子体,在宇宙大爆炸后的最初几微秒内充满了宇宙流体,有几万亿度,几乎没有任何摩擦,以接近光速的速度掠过。新泽西州罗格斯大学(Rutgers University)的理论物理学家杰奎琳·诺龙哈-豪斯勒(Jacquelyn Noronha-Hostler)说:这是我们所知的最极端流体。物理学家以前曾用粒子碰撞来产生这种原始的汤,一些实验表明,某些碰撞产生的流体和质子一样小。在2018年12月10日发表在《自然物理》(Nature Physics)上的一篇新论文中,来自开创性的高能核相互作用实验(PHENIX)的物理学家们报告了迄今为止最令人信服的证据,证明这些液滴可以如此微小。

数万亿度?宇宙大爆炸原始夸克胶子等离子体!

博科园-科学科普:科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的物理学家杰米纳格尔(Jamie Nagle)分析了最近几次实验中的数据说:这真的让我们重新思考对这种液滴流动的相互作用和条件的理解。这些结果可以帮助物理学家更好地理解早期宇宙的夸克胶子等离子体和流体的性质。诺龙哈-霍斯特勒表示:这意味着我们必须重写对流体意味着什么的认识。这些实验是在纽约布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的相对论重离子对撞机(RHIC)上完成。2005年物理学家在这里通过撞击原子核,创造了第一个夸克胶子等离子体。夸克是构成质子和中子的基本粒子,而质子和中子又构成原子核。

数万亿度?宇宙大爆炸原始夸克胶子等离子体!

研究人员已经在宇宙中创造出了可能是最微小的流体,在一种几万亿度、几乎以光速旋转的原始汤中。图片:Shutterstock

胶子是一种携力粒子,它通过一种强大的力将夸克在质子或中子中结合在一起,这种力是自然界的基本作用力之一。Noronha-Hostler说:物理学家先前假设夸克胶子等离子体的流体必须相对较大。要让液滴像流体一样流动,物体必须比组成它的粒子大得多。例如一滴水比它自己的水分子大得多。另一方面,研究人员认为,一小团,比如说三个或四个单独的水分子不会表现得像流体。因此为了使夸克胶子等离子体的流体尽可能大,RHIC物理学家们把像金这样的大原子核碰撞在一起,产生了大小相似的流体——大约是质子的10倍。但是物理学家们发现,当他们碰撞较小的粒子时,意外地发现了一些质子大小的流体迹象(例如在日内瓦附近大型强子对撞机进行的质子碰撞中)。

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物理学家利用布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机,创造了三种不同形状的夸克胶子等离子体块。这种等离子体是一种奇特的物质,在大爆炸后最初几毫秒就充满了宇宙。图片:Javier Orjuela Koop

为了证实这些微小流体是否真的存在,物理学家在RHIC发射的质子上运行了PHENIX探测器,氘核每个原子核包含一个质子和一个中子,金原子核上的氦-3原子核。科学家推断如果这些碰撞形成夸克胶子等离子体流体,流体的形状会因金原子核撞击的不同而不同。撞击质子会形成一个圆形液滴,氘核会产生椭圆形的液滴,氦-3会形成三角形流体。这样的一个液滴只能存活1000亿分之一秒,然后高温会导致液滴膨胀得如此之快,以致于它会在一系列其他粒子中爆炸。通过测量这些颗粒碎片,研究人员重建了原来的液滴。他们在三种碰撞中分别寻找椭圆和三角形,总共测量了六次。实验花了好几年时间,最后研究人员发现了这些能说明问题的形状,这表明碰撞确实产生了质子大小的液滴。

当科学家们用质子、氘核和氦-3核撞击金原子核时,碰撞形成了微小的质子大小的夸克胶子等离子体流体,人们认为这是大爆炸后几微秒形成的原始汤状物。质子碰撞形成圆形流体,氘核碰撞和氦-3碰撞形成椭圆形流体和三角形流体。图片:Javier Orjuela Koop, University of Colorado, Boulder

有了六组完整的测量数据,除了液滴图像之外,很难有不同的解释。诺龙哈-豪斯勒说:虽然研究结果令人信服,但还不能完全确定。研究人员仍然需要更好地测量粒子碰撞产生的喷流。如果这些微小的流体真的形成了,金原子核与质子、氘核或黑子-3之间的碰撞应该会产生高速粒子,形成喷射,然后喷射通过新产生的夸克胶子液滴。当射流在液体中呼啸而过时,它会失去能量并减慢速度,就像一颗子弹在水中穿行一样。但到目前为止,测量结果显示,喷流损失的能量并没有预期的那么多。未来的实验,例如计划于2023年发射的PHENIX升级版,将帮助物理学家更好地理解发生了什么,并确定这些微小的流体是否存在。

图表显示了不同类型的原子碰撞如何产生不同形状夸克胶子等离子体。在最上面一行一个质子被粉碎成一个金原子,形成一个圆形的等离子体。在中间一行氘核(质子-中子对)与金原子的碰撞形成一个椭圆团。在最下面一行氦-3与金原子碰撞形成一个三角形。图片:PHENIX/Nature 2018

博科园-科学科普|参考期刊文献:《Nature Physics》

研究/来自:Marcus Woo/Live Science

论文DOI:doi.org/10.1038/s41567-018-0360-0

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