最初的宇宙物质:近乎完美"夸克汤"膨胀似宇宙大爆炸

最初的宇宙物质:近乎完美"夸克汤"膨胀似宇宙大爆炸
2018年12月18日 08:54 新浪科技
图中是3个夸克汤液滴。目前越来越多的证据表明,这些液体能够以意想不到的方式形成,爆炸性地产生向外流动的微小液滴,就像小型液体大爆炸。  图中是3个夸克汤液滴。目前越来越多的证据表明,这些液体能够以意想不到的方式形成,爆炸性地产生向外流动的微小液滴,就像小型液体大爆炸。

  新浪科技讯 北京时间12月18日消息,据国外媒体报道,宇宙是在一次大爆炸中形成的,随后恒星和星系并非立即诞生形成。科学家认为,最初的宇宙物质是近乎完美的夸克液体,夸克是最小的已知原子组成部分。目前,科学家在高能量粒子碰撞实验中发现夸克液体存在的证据,越来越多的证据表明,这些液体能够以意想不到的方式形成,爆炸性地产生向外流动的微小液滴,就像小型液体大爆炸,科学家们正在研究如何控制该过程。

  美国范德堡大学朱莉娅·维尔科维基卡(Julia Velkovska)教授说:“实际上,我们通过选择抛射体类型,从而能够设计液滴的外形结构。简单地讲,我们能够设计令人难以置信的‘夸克汤’液滴,其膨胀过程类似于小型宇宙大爆炸。”

  原子是由电子、质子和中子组成,而中子和电子又是由夸克构成,夸克和胶子微粒粘合在一起,胶子是一种理论上假设的无质量粒子。夸克是不可能分离的,如果你投入足够的能量试图分离它们,更多的夸克将在该空间中突然出现,可能会导致新粒子“喷涌”。在大约2万亿摄氏度的高温下,该系统成为带有夸克的液体,而不是由原子构成的液体,作为一种组成部分,该液体被称为“夸克-胶子等离子体”,有时也被称为“夸克汤”。

  瑞士日内瓦大型强子对撞机和布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)的研究科学家表示,通过碰撞原子核制造夸克汤已有十年的历史,但令人惊讶的是,越来越多的证据表明,可以使用更小的系统来创建夸克汤,甚至只是使用质子,之前科学家认为这是不可能的。相对论重离子对撞机的PHENIX实验是下一步理解这种奇怪液体如何形成的最新研究项目。

  美国科罗拉多大学博尔德分校副教授丹尼斯·佩雷佩利特萨(Dennis Perepelitsa)是PHENIX实验的合作成员,他说:“5年前,如果有人认为这些小得几乎为零的物质(飞米等级或者更小)可能存在多体、集体式动力学结构,那将被视为一种非常极端的怪异理论。该研究报告‘彻底证实’了一些重要的事情正在发生——夸克汤微小液滴的形成潜能。”

  PHENIX实验的研究人员宣布了自2014年以来对相对论重离子对撞机采集的数据进行建模和分析的结果。相互碰撞的质子束形成了夸克汤球形液滴,这些液滴呈现圆形。氘核(一个质子和一个中子结合在一起)与金核发生碰撞,将形成不断膨胀的圆形结构,氦-3核(两个质子和一个中子结合在一起)与金核发生碰撞,将形成不断膨胀的三角形结构。这项最新研究发表在《自然物理》杂志上。

  这是一项令人兴奋的研究结果,进一步证据表明科学家可以创造这种奇怪的液体,理论上它们存在于宇宙首次闪光,以令人意想不到的方式进行。但是这项实验报告中所谓的“集体流动”——夸克作为一个单位的运动和流动,仅是这种液体的一个特征。2017年,科学家在大型强子对撞机的ALICE实验中发现另一个特征——“奇异夸克”(strange quark)数量突然有所增加。

  佩雷佩利特萨解释称,在金原子碰撞过程中发现的小原子核碰撞仍然缺少第三个特征“喷射猝熄”(jet quenching),这是一种对夸克和胶子在高能碰撞中产生粒子流的抑制,这种碰撞过程通常出现在科学实验中。

  他说:“我们在小型系统中还没有明确看到这种现象,尽管在p+Pb(铅上的质子)数据中发现一些有趣的提示,不过在小型系统中仍然缺少清晰的观测数据,这表明或许我们需要重新思考,这些数据向我们传达了大型系统中什么信息。或许该系统太小,无法对喷射产生明显影响。”

  科学家下步将理解所有这些片段,质子碰撞产生的夸克汤如何转化为原子核碰撞产生的夸克汤?关于这个令人难以置信的物质阶段性质,将告诉物理学家什么信息?

  这些问题是关于新型加速器和探测器的,由于大型强子对撞机进行各种改造,将脱机两年时间。布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机的PHENIX实验将升级成为sPHENIX实验,或许新实验将开拓科学家的视野,让他们洞察分析宇宙早期的本质。

  维尔科维基卡表示,这是科学家在最普遍的层面上,使用人类可操控的方法研究宇宙最本质的属性,这本身就是一项伟大的研究成就。(叶倾城)

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