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中外科学家烹制宇宙大爆炸“夸克汤”

发布时间:2011年06月27日 14:52 | 进入复兴论坛 | 来源:《科技日报》


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  本报合肥6月24日电 (记者吴长锋 常丽君)记者从中国科学技术大学获悉,该校2008级博士研究生罗晓峰与美国布鲁克海汶国家实验室和印度塔塔基础研究院的科学家合作,在世界上首次确定了从强子物质(即普通物质)到夸克—胶子等离子体的相变(即状态转变)温度约为175百万电子伏特,相当于2万亿摄氏度。今天出版的《科学》杂志以《量子色动力学相图的标度》为题,发表了他们的研究成果。

  专家形象地比喻,宇宙初生时,亿万物质是一锅由自由的夸克和胶子组成的浓稠的“汤”,俗称“夸克汤”,即夸克—胶子等离子体。随着宇宙膨胀,夸克—胶子等离子体迅速冷却,质子、中子及其他正常物质从中“析出”:胶子负责传递夸克之间的色作用力,夸克通过交换胶子而结合在一起形成原子核等物质。这就是量子色动力学理论。寻找夸克—胶子等离子体存在的证据并研究其基本性质,对研究早期宇宙具有重要意义。

  在通常情况下,夸克和胶子被强相互作用力禁闭在强子中。强子是由夸克组成的粒子,包括重子(含3个夸克,如质子和中子)和介子(含1个夸克和1个反夸克)。按点阵量子色动力学理论预测,物质存在一个“关键点”,普通强子物质的状态(即“相”)和夸克—胶子等离子体在该点能够共存并互相转化。2000年以来,科学家们利用美国布鲁克海汶国家实验室中的相对论重离子对撞机(RHIC)进行实验研究,发现了一些夸克—胶子等离子体形成的证据,并试图寻找这一“关键点”。

  日前,RHIC对撞机将两束金原子核加速到接近光速,使它们发生碰撞,形成了高能量密度和高温的夸克—胶子等离子体,冷却后产生了大量粒子。中美印科学家组成的一个合作小组,研究分析了对撞机上STAR探测器采集到的大量实验数据,在世界上首次把测量到的净质子数(质子数减去反质子数)分布的特征,与格点量子色动力学的计算结果进行比较,从实验上直接确定了重子数密度为零的情况下从强子物质到夸克—胶子等离子体的相变温度。

  该相变温度是强相互作用物质相图的一个基本标度(类比于标准大气压下,100摄氏度是水的相图一个基本标度),对研究强相互作用物质的整体性质以及相变结构有着重大的科学意义。论文作者之一、布鲁克海汶国家实验室相对论重离子对撞机STAR实验国际合作组发言人许怒说,他们所采用的研究方法为定量研究重离子碰撞中产生的高温高密物质性质开辟了新方向,也为量子色动力学理论在大尺度和低动量传递区域(即非微扰区域)的检验提供了一种新途径。

  总编辑圈点:

  人类想弄明白,世界是如何构成的。我们追寻到夸克和胶子,但对其运动还不甚明了。我们知道,三个不同类的夸克在胶子的粘合下,组成了质子或中子。但在宇宙开始时,也就是刚爆炸后几百万分之一秒内,夸克和胶子很可能散在极热极稠的一锅汤,跟它们“冷静下来”的表现完全不同。为了模拟这种时刻,人类造出巨大的对撞机,让两个金原子核相对碰碎,然后用最快的计算机去分析结果。如今在这个最前沿的领域,理论和试验终于找到了结合点。这是有史以来最复杂的调查,为的是理解最简单的事物。(科技日报)