地球上最熱最密的物質可能已在實驗室內誕生
最近美國BNL實驗室的科學家們在他們的一個學術報告會上(2003年6月18日)宣布,在該實驗室的相對論性重離子對撞機(RHIC)上進行的最新實驗結果表明,在金原子核與金原子核對撞中已創造了不尋常的高溫高密度條件,非常接近夸克膠子等離子體(QGP)的生成。夸克膠子等離子體曾存在于大爆炸后的百萬分之一秒的時間內。紐約時報6月19日也以“科學家們報告從未見過的最熱最密的物質”為題,對這一研究結果做了報導。
歐洲粒子物理研究中心(CERN)的研究人員在2002年2月曾宣布在CERN的加速器上生成了一種新物質,這種物質具有夸克膠子等離子體的特征。但這一結論并未得到科學界的公認。
RHIC的研究人員的實驗是利用含有79個質子和118個中子的金原子核與僅含有一個質子和一個中子的氘核發生對撞,同時還進行金原子核與金原子核的對撞。理論預計,當金原子核與金原子核相撞時,將產生如早期宇宙那樣高溫高密度的環境,溫度可達太陽表面溫度的3億倍。核中的質子和中子將熔合在一起,通常情況下禁錮在質子和中子中的夸克和膠子會逸出,形成夸克膠子等離子體。而金原子核與氘核相撞時,氘核有如子彈穿過金核,產生的熱量和壓縮都不很高,不足以形成夸克膠子等離子體。在上述兩種碰撞過程中,一對快速運動的夸克可從中子或質子中飛出。兩個夸克各產生一束粒子噴注,向相反方向分飛,即“夸克噴注”。科學家們在金-氘碰撞中觀測到了向相反方向分飛的兩束夸克噴注,而在金-金對頭碰撞中,只觀察到一束夸克噴注。一種可能的解釋是,如果一對夸克產生在碰撞區域的表面附近,向外飛的夸克能夠逃逸出碰撞區域,而向內飛的夸克的能量被碰撞產生的高溫高密度區域吸收,實驗上只能觀察到一束夸克噴注,這種現象稱為“夸克淬滅”。理論預言在高密度的夸克膠子等離子體中就會發生夸克淬滅現象。
BNL實驗室主管高能物理與核物理的副主任Thomas Kirk說:“這是一個非常令人興奮的結果,它清楚的表明,我們是在通向重要的科學發現的正確道路上,但至于是否產生了夸克膠子等離子體這個問題尚無定論。”同時美國能源部科學辦公室主任Raymond L.Orbach教授也認為:“RHIC的這些結果極為重要,他們研究的是科學上的一個基本問題,即在時間的起點處,宇宙是什么樣的?而基本問題的解決都最終使社會受益,或是直接受益于所了解的知識,或是受益于為獲得這些知識而開發出來的技術。”
物理學家們正在準備新的實驗來證實是否生成了夸克膠子等離子體。這需要對更多的標志夸克膠子等離子體生成的信號進行探測。如果得到證實,從科學研究上講,工作也只是剛剛開始。通過對等離子體中的夸克和膠子進行研究,人們將能更多地了解把夸克囚禁在質子和中子中的強相互作用力的性質,從而可解開夸克囚禁之謎。當幾年后大型強子對撞機上的ALICE重離子實驗開始后,CERN將再次加入尋找與研究夸克膠子等離子體的競賽。ALICE的碰撞能量要比RHIC的能量高約30倍,人們將在RHIC研究工作的基礎上向新的高峰前進。我國科學家參加了RHIC上兩個大型國際合作項目,同時也是ALICE國際合作項目成員。
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