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物理學界具有歷史意義的重大進展--RHIC 科學家制造出“完美的”液態(tài)夸克膠子等離子體
2005-04-26 |文章來源: | 瀏覽次數:  |

在美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機(RHIC)上開展實驗的四個合作探測器組(BRAHMS、PHENIX、PHOBOSSTAR)稱,他們從原子核的基本粒子夸克和膠子中制造出一種新的熱密度物質態(tài),但它是一種完全不同的物質態(tài),甚至比預言的更為不同尋常。Photo of Bodman科學家們總結了RHIC前三年的發(fā)現,稱RHIC重離子對撞形成的物質不像預期的自由夸克和膠子的氣體那樣飛散,而看起來更像是一種液體。

“由能源部發(fā)起的物理研究再次產生具有歷史性的成果。”身為化學工程師的能源部長Samuel Bodman(右圖)說,“能源部是物理科學基礎研究的主要經費提供者,包括核物理和高能物理。從此消息的發(fā)布,我們可以看到投入得到了回報。”Photo of Orbach

能源部科學局局長Raymond L. Orbach博士(左圖)說:“RHIC關于在金離子對撞中形成的新物質態(tài)更像是一種液體而不是氣體這一的確令人驚訝的發(fā)現,使我們能深刻了解宇宙最初片刻的情景?!?O:P>

新發(fā)現還可能對物理學中的“弦論”產生影響。弦論是以十維空間的概念來解釋宇宙的性質,描述重力在黑洞附近的活動情況,并能解釋夸克如何在夸克膠子等離子體中運動。

RHIC許多其他也令人極感興趣的進展是對撞機的結果和用弦論方法進行計算之間出現的聯系。弦論是以十維空間而不是三維空間+時間來解釋宇宙基本特征的一個概念。

“弦論和RHIC對撞之間的聯系,人們未曾預料到,是令人高興的,”O(jiān)rbach博士說?!跋艺搶で髮⒍兰o物理的兩大智力成果即廣義相對論和量子力學統(tǒng)一起來,它可能完全會對二十一世紀的物理產生深刻影響?!?O:P>

布魯克海文國家實驗室在2005年4月于佛羅里達州坦帕舉行的美國物理學學會會議上宣布,RHIC四個合作組在辛勤作了將近一年實驗后所寫的論文將由《核物理A》雜志同時出版,還將編輯成布魯克海文專題報告(special Brookhaven report)。

這些概要顯示RHIC的一些觀測符合關于夸克-膠子等離子體的理論預言。夸克-膠子等離子體是假設宇宙大爆炸后僅幾微秒內存在的一種物質。的確,許多物理學家斷言RHIC已經表明制造出了夸克-膠子等離子體。Photo of Aronson然而,所有四個合作組都特別提到,實驗數據和基于夸克-膠子等離子體形成的簡單模型的早期理論預言之間存在著差距。 

在宇宙現有物質中,夸克等被約束在質子和中子內,無法獨立存在。RHIC的研究人員從2000年6月起,讓金原子核以接近光速的速度相撞,試圖以相撞產生的巨大能量和溫度“融解”質子和中子,使夸克以自由形態(tài)釋放出來。

“我們已經達到了預言形成這樣等離子體所需要的溫度(熱比太陽中心高15萬倍)和能量密度(能量/單位體積)”,負責高能和核物理的BNL副所長Sam Aronson(右圖)說。但分析從2000年6月開始到2003年物理運行所得到的RHIC數據表明,RHIC金離子對撞中形成的物質更像是液體而不是氣體。

該證據來自在對單個對撞中產生的成千上萬粒子所走軌跡中沒有預料到的圖形的測量。這些測量結果顯示,對撞中產生的原始粒子往往集體移動,以適應壓力跨越對撞的原子核形成的體積的變化??茖W家們把這個現象稱作“流動”,因為它類似流體運動的特性。

但是,不像隨便移動的單個分子的普通液體,RHIC上形成的熱物質似乎按顯示出粒子中高度協調的模式移動—有點兒像作為一個實體做出反應的魚群,同時穿過變化中的環(huán)境。

Aronson 稱:“這是個近乎‘完美的’流體運動?!币馑际撬捎昧黧w動力學的方程式加以解決。展開這些方程式,在理論上描述“完美的”流體—那些具有極低粘性和因粒子中高度相互作用非常迅速達到熱平衡的能力。雖然RHIC的科學家們沒有直接測量粘性,但是他們可以從流體模式推斷,質量上粘性非常低,達到量子機械的極限。

這些事實共同提出了一個引人注目的情況。Aronson說:“實際上,RHIC正形成的物質的集體相互作用程度、快速熱能化和極低粘性使其成為歷來觀測到的最近乎完美的液體?!?/FONT> 

 以上圖像將預言中的氣體夸克-膠子等離子體態(tài)(Figure A,見mpeg animation)的夸克中的相互作用和集體運動,或“流動” 的程度與RHIC上金-金對撞觀測到的液態(tài)(Figure B,見mpeg animation)加以對比。綠色的"力線"和集體運動(僅在動畫中可以看到)顯示在被描繪成近乎“完美的”液體中夸克間更高程度的相互作用和流動。

在較早報道(reported earlier)的結果中,RHIC上進行的其他測量顯示出,高能夸克和膠子的噴注在橫穿對撞中產生的熱火球時迅速減緩下來。這個“噴注淬火”證明該新形式的物質中的能量密度格外地高—遠遠高于由普通核物質組成的介質所能做出的解釋。

Aronson說:“最近的發(fā)現不排除這個新的物質態(tài)實際上是一種形式的夸克-等離子體的可能性,只不過有別于理論的預言?!痹S多科學家相信這個是這種情況。為解決這一問題,RHIC正在進行詳細的測量。

理論物理學家們的標準計算不能將在RHIC上觀測到的夸克和膠子之間的強耦合包括進去,現也在重新考慮他們的一些早期模型和預言。為了應對這些問題,他們在一些世界上功率最大的計算機上進行大規(guī)模的數字模擬,其他人正試圖將定量的粘性測量包括在以近乎光速運動的流體運動方程式里。一個子集的計算采用弦論方法預言RHIC上形成的液體的粘性,并解釋其他一些驚人的發(fā)現。這些研究將對液體“近乎完美”到何種程度提供更定量的了解。

意外的發(fā)現還為實驗室以前達不到的極端溫度和密度時物質特性的新發(fā)現提供了廣泛機遇。

布魯克海文國家實驗室所長Praveen Chaudhari說:“發(fā)現實驗室里重建被認為宇宙誕生后幾微秒里存在的近乎完美的液體,的確令人驚愕。四個RHIC合作組現正在收集和分析從第四年和第五年運行得到的新的海量數據,我期待在不久的將來有更多更迷人的發(fā)現?!?O:P>

高能所科研處制作,內容由侯儒成譯自布魯克海文國家實驗室2005年4月18日發(fā)布的消息。


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