美國能源部(DOE)位於布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National laboratory)的核物理研究科學用戶設施辦公室在相對論重離子對撞機(RHIC)中使用PHENIX探測器，核物理學家在對該探測器的數據進行分析後，在《自然物理》(Nature physics)上發表了另一項證據：證明極小的拋射物與金原子核的碰撞會產生充滿早期宇宙的完美流體的微小微粒。科學家們正在研究這種由夸克和膠子(質子和中子的組成部分)構成的熱湯，以了解構成我們今天世界的可見物質中把這些粒子聚集在一起的基本力量。創造這種原始湯狀物(被稱為夸克膠子等離子體)的微小顆粒的能力，最初是出乎意料的，它可以讓我們深入了解這種非凡物質的本質屬性。
博科園-科學科普：來自科羅拉多大學的"鳳凰號"的合作者傑米·奈格說：這項研究是一系列設計用來設計夸克膠子等離子體的實驗的高潮（他參與了實驗計劃的設計以及團隊用來測試結果的理論模擬）。PHENIX合作的最新論文全面分析了小型拋射體(單質子、雙粒子氘核和三粒子氦-3原子核)與大的金原子核「目標」以接近光速朝相反方向運動的碰撞。研究小組追蹤了從這些碰撞中產生的粒子，尋找它們的流動模式與拋射體的原始幾何形狀相匹配的證據，如果這些微小的拋射體確實在創造一個完美的液體夸克膠子等離子體，這是可以預料到的。RHIC是世界上唯一的加速器，可以在那裡進行這樣一個嚴格控制的實驗，用一個、兩個、三個組成部分組成的粒子碰撞，這些粒子的原子核更大，它們的能量相同。
完美的液體誘導流動
在RHIC兩個金原子核之間的碰撞中，「完美」的液體已經是一種根深蒂固的現象。在RHIC中數百個相互碰撞的質子和中子的強大能量融化了這些粒子的邊界，允許它們的組成夸克和膠子相互混合併自由相互作用。RHIC的測量結果顯示，這種夸克和膠子的混合物流動起來就像一種粘度極低的液體(也就是根據流體動力學理論近乎完美的液體)。粘度的缺乏使得在碰撞早期建立的壓力梯度能夠持續存在，並影響從碰撞中產生的粒子如何撞擊探測器。日本物理研究所發言人秋葉康行(Yasuyuki Akiba)說：如果這種低粘度條件和壓力梯度是在小型拋射物與金原子核的碰撞中產生的，那麼探測器捕捉到的粒子的形狀應該會對每個拋射物的初始形狀保留一些『記憶』——質子是球形的，氘核是橢圓形的，氦-3原子核是三角形的。
如果質子(p)、氘核(d)、氦-3原子核(3He)和金原子核(Au)等小型拋射體之間的碰撞，會產生夸克膠子等離子體的微小熱點，探測器捕捉到的粒子圖案應該會對每個拋射體的初始形狀保留一些「記憶」。PHENIX實驗的測量結果與這些預測相吻合，在初始幾何形狀和最終流型之間具有很強的相關性。圖片：Javier Orjuela Koop, University of Colorado, Boulder秋葉康行是日本物理研究所和日本物理研究所/布魯克黑文實驗室研究中心(RIKEN/Brookhaven Lab Research Center)的物理學家。PHENIX分析了三種碰撞系統中兩種不同類型的顆粒流(橢圓和三角形)的測量值，並將它們與基於初始幾何形狀的預測結果進行了比較。鳳凰大學(PHENIX)副發言人茱莉亞?維爾科夫斯卡(Julia Velkovska)說：最新數據（這篇論文中新提出的質子-金碰撞和氘核-金碰撞的三角流測量）完成了這幅圖，這是一種獨特的可觀察到的組合，允許決定性的模型識別。在所有六種情況下，測量結果都與基於初始幾何形狀的預測相吻合，看到初始幾何形狀和最終流型之間有很強的相關性，最好的解釋是夸克膠子等離子體是在這些小型碰撞系統中產生的。這是非常令人信服的證據。
與理論比較
當一種近乎完美的液體被創造出來時，幾何流型自然地在流體力學理論中被描述出來。液滴的幾何形狀由彈丸的選擇控制，這一系列實驗旨在測試水動力學假說，並將其與其他產生與初始幾何形狀無關的粒子關聯的理論模型進行對比。其中一種理論強調量子力學的相互作用（特別是在被假定支配加速核內部結構的大量膠子之間）在小規模碰撞系統中觀察到的模式中扮演著重要角色。PHENIX團隊將他們的測量結果與兩種基於流體動力學的理論進行了比較，這兩種理論準確地描述了RHIC金-金碰撞中觀察到的夸克膠子等離子體，以及基於量子力學的理論預測的夸克膠子等離子體。
美國能源部布魯克黑文國家實驗室核物理研究科學用戶設施辦公室相對論重離子對撞機(RHIC)的PHENIX探測器。圖片：Brookhaven National LaboratoryPHENIX的合作發現數據與夸克膠子等離子體描述最吻合，但與基於量子力學膠子相互作用的預測不符，尤其是六種流型中的兩種。本文還包括了金離子與質子的碰撞和氘的碰撞之間的比較，氘被特別選擇來匹配碰撞中產生的粒子的數量。根據膠子相互作用的理論預測，無論初始幾何形狀如何，顆粒的流動模式都應該是相同的。在其他條件相同的情況下仍然可以看到氘核金的橢圓流比質子金的橢圓流大，這與流體動力流理論更加吻合，表明測量結果確實取決於初始幾何形狀，這並不意味著膠子相互作用不存在，這個理論是建立在物理中的固體現象的基礎上的。
但基於我們所看到的，以及我們對理論和數據之間的一致性的統計分析，這些相互作用並不是最終流動模式的主要來源。PHENIX正在分析額外的數據，以確定在小規模碰撞中達到的溫度。如果溫度足夠高，這些測量結果將進一步支持夸克膠子等離子體形成的證據。與理論的相互作用，包括競爭性解釋，將繼續發揮作用。布魯克海文實驗室負責核與粒子物理學的副主任伯恩特米勒(Berndt Mueller)呼籲實驗物理學家和理論學家在2019年初舉行的一個特別研討會上討論細節：這種在測量、預測和解釋之間進行比較的反覆過程是在新發現的道路上邁出的重要一步，正如RHIC項目在其18年的成功運行中所證明的那樣。
博科園-科學科普｜研究/來自：布魯克海文國家實驗室參考期刊文獻:《Nature Physics》DOI: 10.1038/s41567-018-0360-0博科園-傳遞宇宙科學之美