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在地球上山崎瑞科重现大爆炸物质

物理学 2022-07-01 23:59:12

作者:欧洲核子研究中心安娜·洛佩斯 宇宙历史图解

离大爆炸大约1微秒(微秒),质子由夸克-胶子等离子体形成

学分:BICEP2协作/欧洲核子研究中心/美国航天局 欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)通常将质子碰撞在一起

正是这些质子-质子碰撞导致了2012年希格斯玻色子的发现

但是世界上最大的加速器也被设计用来粉碎重离子,主要是铅原子的原子核,并且它每年这样做大约一个月

至少有两个很好的理由

首先,LHC的重离子碰撞在实验室条件下重现了被认为在大爆炸后不久就存在的夸克和胶子等离子体

第二,碰撞可以用来测试和研究,在最高的人工温度和密度下,量子色动力学的基本预测,将夸克和胶子结合成质子和中子并最终形成所有原子核的强力理论

LHC不是第一台再造大爆炸物质的机器:早在2000年,欧洲粒子物理研究所超级质子同步加速器的实验就发现了夸克胶子等离子体的令人信服的证据

大约五年后,美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)的实验开启了一个详细研究夸克-胶子等离子体的时代

然而,自从10年前LHC实现了比它的前辈更高能量的碰撞以来,它已经把夸克-胶子等离子体的研究带到了令人难以置信的新高度

通过产生更热、密度更大、寿命更长的夸克胶子等离子体,以及更多种类的粒子来探测其性质和效应,LHC让物理学家能够以前所未有的详细程度研究夸克胶子等离子体

更重要的是,这种机器一路走来取得了一些令人惊讶的结果,激发了对这种物质状态的新的理论研究

“在关于强相互作用理论的终极教科书中,关于夸克-胶子等离子体的章节将充满LHC数据的数字,”ALICE实验发言人卢西亚诺·穆萨说

“这些数据在数据精度和运动学范围方面都非常出色,它们第一次告诉我们,当一个人从质子-质子碰撞过渡到重离子碰撞时,类似夸克-胶子等离子体的性质是如何逐渐显现的

" 剧烈碰撞过程 当重原子核在LHC相互碰撞时,组成原子核的数百个质子和中子将大部分能量释放到一个微小的体积中,形成一个由夸克和胶子组成的火球

这些微小的夸克胶子等离子体只存在短暂的瞬间,单个的夸克和胶子,统称为部分子,迅速形成复合粒子和反粒子,向四面八方飞出

通过研究碰撞中产生的大量粒子——在等离子体产生之前、期间和之后——研究人员可以研究等离子体从产生到冷却并让位于一种叫做强子的复合粒子可以形成的状态

然而,不能直接观察等离子体

它的存在和性质是从它在碰撞中产生的粒子上留下的实验特征以及它们与理论模型的比较中推断出来的

这种研究可以分为两个不同的类别

第一类研究调查了重离子碰撞产生的成千上万的粒子,提供了关于夸克-胶子等离子体整体宏观性质的信息

第二类聚焦于质量或动量较大的各种类型的粒子,它们产生的几率较低,并提供了一个观察介质内部微观工作的窗口

在LHC,这些研究是由LHC所有四个主要实验背后的合作进行的:ALICE、ATLAS、CMS和LHCb

虽然ALICE最初是专门为研究夸克-胶子等离子体而设计的,但其他三个实验也加入了这项研究

在第二次LHC运行的最后一次铅-铅碰撞期间,ALICE探测器中的粒子轨迹和能量沉积

信用:欧洲核子研究中心 全局属性 LHC提供的数据使研究人员能够以比以前更高的精度得出这种介质的几个全球特性

“如果我们闭着眼睛听两种不同的乐器,即使它们在演奏同一个音符,我们也可以区分它们

原因是音符带有一组泛音,使乐器发出独特的声音

这只是一个例子,说明了在确定物质属性时,弦外之音是多么简单而有力

重离子物理学家已经学会了如何在他们对夸克-胶子等离子体的研究中利用“泛音”

重离子碰撞的初始阶段会在穿过介质的等离子体中产生波纹,并激发泛音

这种泛音可以通过分析从等离子体中飞出并到达探测器的粒子的集体流来测量

虽然之前的测量只揭示了这些泛音的最初迹象,但LHC实验已经详细地描绘了它们

威德曼解释说:“结合其他精度上的进步,理论家们已经使用这些数据来表征等离子体的特性,例如它的温度、能量密度和摩擦阻力,这比任何其他已知的流体都要小。”

这些发现得到了多方面的支持

例如,ALICE合作通过研究热火球发射的光子来估计等离子体的温度

估计温度约为300兆电子伏(1兆电子伏约为1010开尔文),高于产生等离子体所需的预测温度(约为160兆电子伏),比RHIC对撞机获得的温度高约40%

另一个例子是碰撞初始阶段等离子体能量密度的估计

ALICE和CMS获得的值在每立方毫微微米12至14吉欧(1毫微微米为10-15米)的范围内,比RHIC测定的值高约2至3倍,并且再次高于等离子体形成所需的预测能量密度(约1吉欧/平方毫米3)

LHC不仅提供了更多的粒子,还提供了更多种类的粒子来探测夸克胶子等离子体

“LHC号给了我们一个非常广阔的探测器平台,”爱丽丝物理协调员安德里亚·戴恩斯说

“加上覆盖碰撞点周围更多区域的最先进的粒子探测器,以及识别和跟踪粒子的复杂方法,这个广阔的调色板为夸克-胶子等离子体的内部工作和效应提供了前所未有的洞察力

" 举几个例子,在LHC开始后不久,阿特拉斯和CMS第一次直接观察到喷射猝灭现象,在这种现象中,碰撞中形成的粒子射流在穿过夸克-胶子等离子体介质时失去能量

合作发现了成对喷流能量的显著不平衡,其中一个喷流几乎完全被介质吸收

另一个例子与重夸克有关

这些粒子是夸克-胶子等离子体的优秀探针,因为它们是在重离子碰撞的初始阶段产生的,因此经历了等离子体的整个演化过程

ALICE的合作最近表明,重夸克“感觉到”夸克-胶子等离子体的形状和大小,这表明即使最重的夸克也随着介质移动,介质主要由轻夸克和胶子组成

随着质子-质子碰撞中产生的粒子数量的增加(蓝线),测量到的包含至少一个奇怪夸克的粒子越多(图中橙色到红色的方块)

信用:欧洲核子研究中心 LHC实验,特别是ALICE和CMS,也极大地提高了我们对重夸克及其反夸克(称为夸克偶素)束缚态等离子体中分层“熔化”的理解

束缚越弱的状态越容易融化,结果它们就越不丰富

CMS是第一个观察到这种所谓的对底夸克态的分级抑制的人,这种底夸克态由底夸克和反夸克组成

ALICE揭示了,虽然由魅力夸克和它的反夸克组成的最常见的charmonium态由于等离子体的作用而被高度抑制,但它也通过魅力夸克和反夸克的复合而再生

这种在LHC首次观察到的重组现象,为理论模型和现象学提供了一个重要的试验场,在理论模型和实验数据之间形成了一个联系

较小系统中的惊喜 LHC的数据也揭示了意想不到的结果

例如,ALICE的合作表明,随着质子-质子和质子-铅碰撞中产生的粒子数量或“多重性”的增加,奇怪强子(包含至少一个奇怪夸克的粒子)的产生增加,这种增加通常被认为是夸克-胶子等离子体的特征

另一个恰当的例子是逐渐出现的流动状特征,其脊的形状具有增加的多重性,这是首次由CMS在质子-质子和质子-铅碰撞中观察到的

ALICE和ATLAS对质子-铅碰撞中双脊特征出现的观察进一步支持了这一结果

“在LHC质子-质子和质子-原子核碰撞中发现重离子样行为是一个游戏规则的改变者,”威德曼说

“LHC的数据推翻了长期以来的观点,即质子-质子碰撞产生自由流动的粒子,而重离子碰撞产生完全发展的夸克-胶子等离子体

他们告诉我们,在小质子-质子碰撞系统中,有比传统认为的更多的物理机制在起作用

新的挑战是在强力理论中理解夸克-胶子类等离子体性质是如何随着碰撞系统的大小而逐渐显现的

" 这些只是10年LHC如何极大地提高物理学家对夸克-胶子等离子体以及早期宇宙的知识的例子

随着机器第二次运行的数据仍在分析中,更多的数据将来自下一次运行和LHC的继任者高亮度LHC,对这种独特的物质状态的更详细的理解必然会出现,也许会有新的惊喜出现

穆萨说:“未来十年,LHC为进一步探索夸克胶子等离子体提供了许多机会。”

“铅-铅碰撞次数预计将增加10倍,这将提高已知介质探针的测量精度,并使我们能够接触到新的探针

此外,我们计划探索较轻原子核之间的碰撞,这可能进一步揭示介质的性质

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