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最初的宇宙物質:近乎完美”夸克湯”膨脹似宇宙大爆炸

圖中是3個夸克湯液滴。目前越來越多的證據表明,這些液體能夠以意想不到的方式形成,爆炸性地產生向外流動的微小液滴,就像小型液體大爆炸。圖中是3個夸克液滴。目前越來越多的證據表明,這些液體能夠以意想不到的方式形成,爆炸性地產生向外流動的微小液滴,就像小型液體大爆炸

  新浪科技訊 北京時間12月18日消息,據國外媒體報道,宇宙是在一次大爆炸中形成的,隨後恆星和星系並非立即誕生形成。科學家認為,最初的宇宙物質是近乎完美的夸克液體,夸克是最小的已知原子組成部分。目前,科學家在高能量粒子碰撞實驗中發現夸克液體存在的證據,越來越多的證據表明,這些液體能夠以意想不到的方式形成,爆炸性地產生向外流動的微小液滴,就像小型液體大爆炸,科學家們正在研究如何控制該過程。

  美國範德堡大學朱莉婭·維爾科維基卡(Julia Velkovska)教授說:“實際上,我們通過選擇拋射體類型,從而能夠設計液滴的外形結構。簡單地講,我們能夠設計令人難以置信的‘夸克湯’液滴,其膨脹過程類似於小型宇宙大爆炸。”

  原子是由電子、質子和中子組成,而中子和電子又是由夸克構成,夸克和膠子微粒粘合在一起,膠子是一種理論上假設的無質量粒子。夸克是不可能分離的,如果你投入足夠的能量試圖分離它們,更多的夸克將在該空間中突然出現,可能會導致新粒子“噴湧”。在大約2萬億攝氏度的高溫下,該系統成為帶有夸克的液體,而不是由原子構成的液體,作為一種組成部分,該液體被稱為“夸克-膠子等離子體”,有時也被稱為“夸克湯”。

  瑞士日內瓦大型強子對撞機和布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)的研究科學家表示,通過碰撞原子核製造夸克湯已有十年的歷史,但令人驚訝的是,越來越多的證據表明,可以使用更小的系統來創建夸克湯,甚至只是使用質子,之前科學家認為這是不可能的。相對論重離子對撞機的PHENIX實驗是下一步理解這種奇怪液體如何形成的最新研究項目。

  美國科羅拉多大學博爾德分校副教授丹尼斯·佩雷佩利特薩(Dennis Perepelitsa)是PHENIX實驗的合作成員,他說:“5年前,如果有人認為這些小得幾乎為零的物質(飛米等級或者更小)可能存在多體、集體式動力學結構,那將被視為一種非常極端的怪異理論。該研究報告‘徹底證實’了一些重要的事情正在發生——夸克湯微小液滴的形成潛能。”

  PHENIX實驗的研究人員宣佈了自2014年以來對相對論重離子對撞機採集的數據進行建模和分析的結果。相互碰撞的質子束形成了夸克湯球形液滴,這些液滴呈現圓形。氘核(一個質子和一箇中子結合在一起)與金核發生碰撞,將形成不斷膨脹的圓形結構,氦-3核(兩個質子和一箇中子結合在一起)與金核發生碰撞,將形成不斷膨脹的三角形結構。這項最新研究發表在《自然物理》雜誌上。

  這是一項令人興奮的研究結果,進一步證據表明科學家可以創造這種奇怪的液體,理論上它們存在於宇宙首次閃光,以令人意想不到的方式進行。但是這項實驗報告中所謂的“集體流動”——夸克作為一個單位的運動和流動,僅是這種液體的一個特徵。2017年,科學家在大型強子對撞機的ALICE實驗中發現另一個特徵——“奇異夸克”(strange quark)數量突然有所增加。

  佩雷佩利特薩解釋稱,在金原子碰撞過程中發現的小原子核碰撞仍然缺少第三個特徵“噴射猝熄”(jet quenching),這是一種對夸克和膠子在高能碰撞中產生粒子流的抑制,這種碰撞過程通常出現在科學實驗中。

  他說:“我們在小型系統中還沒有明確看到這種現象,儘管在p+Pb(鉛上的質子)數據中發現一些有趣的提示,不過在小型系統中仍然缺少清晰的觀測數據,這表明或許我們需要重新思考,這些數據向我們傳達了大型系統中什麼信息。或許該系統太小,無法對噴射產生明顯影響。”

  科學家下步將理解所有這些片段,質子碰撞產生的夸克湯如何轉化為原子核碰撞產生的夸克湯?關於這個令人難以置信的物質階段性質,將告訴物理學傢什麼信息?

  這些問題是關於新型加速器和探測器的,由於大型強子對撞機進行各種改造,將脫機兩年時間。布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機的PHENIX實驗將升級成為sPHENIX實驗,或許新實驗將開拓科學家的視野,讓他們洞察分析宇宙早期的本質。

  維爾科維基卡表示,這是科學家在最普遍的層面上,使用人類可操控的方法研究宇宙最本質的屬性,這本身就是一項偉大的研究成就。(葉傾城)

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