布鲁克海文国家实验室 美国的恒星探测器
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能源部布鲁克海文国家实验室信用:布鲁克海文国家实验室 物理学家在相对论重离子对撞机(RHIC)研究金离子的碰撞
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能源部科学办公室在美国能源部布鲁克海文国家实验室进行核物理研究的用户设施，正在开始一段穿越核物质阶段的旅程——核物质是构成我们宇宙中所有可见物质原子核的物质
对不同能量下进行的碰撞的新分析显示了临界点的诱人迹象——构成质子和中子的夸克和胶子从一个相转变为另一个相的方式发生了变化
这项发现刚刚由RHIC的《恒星协作》杂志在《物理评论快报》上发表，将帮助物理学家绘制出这些核相变的细节，以更好地理解宇宙的演化和中子星核心的条件
“如果我们能够发现这个临界点，那么我们的核相图——核相图——可能会在教科书中找到一个位置，和水的位置一样，”印度国家科学研究院的贝丹加·莫汉蒂说，他是数百名在RHIC合作使用复杂的恒星探测器进行研究的物理学家之一
正如莫汉蒂指出的，研究核相有点像了解水的固体、液体和气体形式，并根据温度和压力等条件绘制出转变是如何发生的
但是有了核物质，你不能只是把锅放在炉子上，看着它沸腾
你需要像RHIC这样强大的粒子加速器来加热
RHIC最高的碰撞能量“融化”了普通的核物质(由质子和中子组成的原子核)，产生了一种叫做夸克胶子等离子体的奇异相(QGP)
科学家们认为，在大爆炸后的几分之一秒内，整个宇宙都以QGP的形式存在——在它冷却之前，夸克结合在一起(胶子粘在一起)形成质子、中子，最终形成原子核
但是QGP在RHIC创造的微小水滴只有10-13厘米宽(也就是0
000000000000001厘米)并且它们仅持续10-23秒！这使得绘制构成我们世界的物质的融化和冻结的地图变得非常困难
“严格地说，如果我们既不能确定相界也不能确定临界点，我们就真的不能把这个(QGP相)写进教科书，说我们有了一个新的物质状态，”美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室的恒星物理学家努许说
绘制核相变就像研究水在不同温度和压力条件下的变化(核物质的净重子密度)
RHIC的碰撞“融化”质子和中子，产生夸克-胶子等离子体(QGP)
恒星物理学家正在探索不同能量的碰撞，转动温度和重子密度的“旋钮”，寻找“临界点”的迹象
“荣誉:布鲁克海文国家实验室 跟踪相变 为了追踪跃迁，恒星物理学家利用RHIC不可思议的多功能性，在广泛的能量范围内碰撞金离子(金原子的原子核)
“RHIC是唯一能做到这一点的设施，提供从2000亿电子伏特(GeV)一直到3 GeV的电子束
没有人能梦想得到这样一台优秀的机器，”徐说
能量的变化使碰撞温度上下变化，也改变了一个称为净重子密度的量，这个量有点类似于压力
通过查看2010年至2017年RHIC“光束能量扫描”第一阶段收集的数据，恒星物理学家追踪了每个碰撞能量下流出的粒子
他们对产生的质子净数量进行了详细的统计分析
许多理论家曾预测，随着临界点的临近，这个量将显示出大的逐事件波动
预期波动的原因来自对支配夸克和胶子的力的理论理解
这个被称为量子色动力学的理论表明，从正常核物质(“强子”质子和中子)到QGP的转变可以通过两种不同的方式发生
在高温下，质子和反质子成对产生，净重子密度接近于零，物理学家有证据表明在这两个阶段之间有平滑的交叉
就好像质子逐渐融化形成QGP，就像温暖的日子里黄油在柜台上逐渐融化
但在较低的能量下，他们预计会发生所谓的一级相变——一种突然的变化，就像水在设定温度下沸腾，单个分子从锅里逸出变成蒸汽
核理论家预测，在QGP到强子物质的相变中，随着碰撞接近这一转换点，净质子产量将发生巨大变化
“在高能时，只有一个阶段
系统或多或少是不变的，正常的，”徐说
“但是当我们从高能变为低能时，你也增加了净重子密度，物质的结构可能会随着你进入相变区域而改变
当物理学家在RHIC调低碰撞能量时，他们预计在某些测量中会看到大的逐事件波动，如净质子产生——这种效应类似于飞机进入云层时经历的湍流——作为核相变“临界点”的证据
更高层次的数据统计分析，包括偏斜度(峰度)，揭示了这种波动的诱人迹象
学分:布鲁克海文国家实验室 “这就像当你乘坐飞机时，你进入湍流，”他补充说
“你看到波动了——嘣，嘣，嘣
然后，当你通过湍流——结构变化的阶段——你就回到了单相结构的正常状态
" 在RHIC碰撞数据中，这种湍流的迹象不像飞机上食物和饮料从托盘上反弹一样明显
恒星物理学家必须对粒子的分布进行所谓的“高阶相关函数”统计分析，寻找更多的数据，而不仅仅是代表数据的曲线的平均和宽度，比如分布有多不对称和偏斜
科学家说，他们在这些高阶中看到的振荡，特别是偏斜(或峰度)，让人想起另一个著名的相变，当透明的液态二氧化碳加热时突然变得混浊
这种“临界乳光”来自二氧化碳密度的剧烈波动——分子紧密程度的变化
“在我们的数据中，这种振荡意味着一些有趣的事情正在发生，比如乳白色，”莫汉蒂说
然而，尽管有诱人的暗示，星科学家承认他们测量的不确定性范围仍然很大
该团队希望通过分析2019年至2021年RHIC光束能量扫描第二阶段期间从更多碰撞中获得的第二组测量结果，缩小这种不确定性，以确定他们的临界点发现
徐指出，STAR的整个合作过程都包括在分析中，其中一组特定的物理学家每周与美国物理学会举行会议，他们分别来自中国、印度和日本，其中包括(和他的学生)、Ashish Pandav和Toshihiro Nonaka
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科学家们(跨越许多时区和虚拟网络)讨论并提炼结果
这项工作也是实验学家与世界各地的核理论家以及RHIC的加速器物理学家的真正合作
后一个小组，在布鲁克海文实验室的对撞机-加速器部门，设计了运行RHIC远远低于其设计能量的方法，同时也最大化碰撞率，以便能够在低碰撞能量下收集必要的数据
“我们正在探索未知领域，”徐说
“以前从来没有这样做过
我们做了很多努力来控制环境并进行纠正，我们急切地等待下一轮更高的统计数据，”他说
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