高達數萬億度的宇宙大爆炸原始夸克膠子等離子體!

2021-01-18 天文物理

物理學家們通過將粒子擊碎在一起，可能創造出了宇宙中最小的流體液滴——一個質子大小的滾燙的原始湯珠。這種粒子湯是夸克膠子等離子體，在宇宙大爆炸後的最初幾微秒內充滿了宇宙流體，有幾萬億度，幾乎沒有任何摩擦，以接近光速的速度掠過。新澤西州羅格斯大學(Rutgers University)的理論物理學家傑奎琳·諾龍哈-豪斯勒(Jacquelyn Noronha-Hostler)說：這是我們所知的最極端流體。物理學家以前曾用粒子碰撞來產生這種原始的湯，一些實驗表明，某些碰撞產生的流體和質子一樣小。在2018年12月10日發表在《自然物理》(Nature Physics)上的一篇新論文中，來自開創性的高能核相互作用實驗(PHENIX)的物理學家們報告了迄今為止最令人信服的證據，證明這些液滴可以如此微小。



博科園-科學科普：科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado Boulder)的物理學家傑米納格爾(Jamie Nagle)分析了最近幾次實驗中的數據說：這真的讓我們重新思考對這種液滴流動的相互作用和條件的理解。這些結果可以幫助物理學家更好地理解早期宇宙的夸克膠子等離子體和流體的性質。

諾龍哈-霍斯特勒表示：這意味著我們必須重寫對流體意味著什麼的認識。這些實驗是在紐約布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的相對論重離子對撞機(RHIC)上完成。2005年物理學家在這裡通過撞擊原子核，創造了第一個夸克膠子等離子體。夸克是構成質子和中子的基本粒子，而質子和中子又構成原子核。


研究人員已經在宇宙中創造出了可能是最微小的流體，在一種幾萬億度、幾乎以光速旋轉的原始湯中。圖片：Shutterstock


膠子是一種攜力粒子，它通過一種強大的力將夸克在質子或中子中結合在一起，這種力是自然界的基本作用力之一。Noronha-Hostler說：物理學家先前假設夸克膠子等離子體的流體必須相對較大。要讓液滴像流體一樣流動，物體必須比組成它的粒子大得多。例如一滴水比它自己的水分子大得多。另一方面，研究人員認為，一小團，比如說三個或四個單獨的水分子不會表現得像流體。因此為了使夸克膠子等離子體的流體儘可能大，RHIC物理學家們把像金這樣的大原子核碰撞在一起，產生了大小相似的流體——大約是質子的10倍。但是物理學家們發現，當他們碰撞較小的粒子時，意外地發現了一些質子大小的流體跡象（例如在日內瓦附近大型強子對撞機進行的質子碰撞中）。


物理學家利用布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，創造了三種不同形狀的夸克膠子等離子體塊。這種等離子體是一種奇特的物質，在大爆炸後最初幾毫秒就充滿了宇宙。圖片：Javier Orjuela Koop


為了證實這些微小流體是否真的存在，物理學家在RHIC發射的質子上運行了PHENIX探測器，氘核每個原子核包含一個質子和一個中子，金原子核上的氦-3原子核。科學家推斷如果這些碰撞形成夸克膠子等離子體流體，流體的形狀會因金原子核撞擊的不同而不同。撞擊質子會形成一個圓形液滴，氘核會產生橢圓形的液滴，氦-3會形成三角形流體。這樣的一個液滴只能存活1000億分之一秒，然後高溫會導致液滴膨脹得如此之快，以致於它會在一系列其他粒子中爆炸。通過測量這些顆粒碎片，研究人員重建了原來的液滴。他們在三種碰撞中分別尋找橢圓和三角形，總共測量了六次。實驗花了好幾年時間，最後研究人員發現了這些能說明問題的形狀，這表明碰撞確實產生了質子大小的液滴。


當科學家們用質子、氘核和氦-3核撞擊金原子核時，碰撞形成了微小的質子大小的夸克膠子等離子體流體，人們認為這是大爆炸後幾微秒形成的原始湯狀物。質子碰撞形成圓形流體，氘核碰撞和氦-3碰撞形成橢圓形流體和三角形流體。圖片：Javier Orjuela Koop, University of Colorado, Boulder

有了六組完整的測量數據，除了液滴圖像之外，很難有不同的解釋。諾龍哈-豪斯勒說：雖然研究結果令人信服，但還不能完全確定。研究人員仍然需要更好地測量粒子碰撞產生的噴流。如果這些微小的流體真的形成了，金原子核與質子、氘核或黑子-3之間的碰撞應該會產生高速粒子，形成噴射，然後噴射通過新產生的夸克膠子液滴。當射流在液體中呼嘯而過時，它會失去能量並減慢速度，就像一顆子彈在水中穿行一樣。但到目前為止，測量結果顯示，噴流損失的能量並沒有預期的那麼多。未來的實驗，例如計劃於2023年發射的PHENIX升級版，將幫助物理學家更好地理解發生了什麼，並確定這些微小的流體是否存在。


圖表顯示了不同類型的原子碰撞如何產生不同形狀夸克膠子等離子體。在最上面一行一個質子被粉碎成一個金原子，形成一個圓形的等離子體。在中間一行氘核(質子-中子對)與金原子的碰撞形成一個橢圓團。在最下面一行氦-3與金原子碰撞形成一個三角形。圖片：PHENIX/Nature 2018


博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《Nature Physics》

研究/來自：Marcus Woo/Live Science

論文DOI：doi.org/10.1038/s41567-018-0360-0

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