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这锅原始炽热的粒子汤

 天选小丑 2017-04-26

我们的宇宙诞生于大约138亿年前。


就在大爆炸之后,宇宙是一锅炽热、致密的“粒子汤”。这锅汤的基本材料正是夸克和胶子,它们最终会结合形成我们所熟悉的质子、中子以及其它的强子(参与强核力的粒子称为强子)。如果你深入思考就会发现这一切都是那么的不可思议,比如科学家是怎么知道宇宙有个开始?又是如何推算出它的年龄?以及为什么宇宙在诞生后的极短时间内处于夸克-胶子汤的状态?


△ 质子内部的夸克和胶子。(图片来源:DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON)


然而,更令人钦佩的是,科学家已经可以在地球上创造出这一锅原始的粒子汤。他们通过将重离子相互对撞来制造这种被称为“夸克-胶子等离子体”(Quark-Gluon Plasma, QGP)的“粒子汤”。虽然我忍不住给这些科学家点赞,但如果你有关注粒子物理学的动态就会发现这其实并不是什么新鲜的新闻了。其实,科学家先前就在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)和相对论重离子加速器(RHIC)中利用金-金和铅-铅的对撞产生夸克-胶子等离子体。


△ CERN。(图片来源:Mona Schweizer)


这次,LHC中的大型离子对撞实验(ALICE)团队有了新的发现。在他们刚发表在《自然 物理》期刊的一篇论文中指出了一个耐人寻味的现象,两束接近光速的质子相互对撞所产生的结果,有时与重原子核对撞所产生的结果相似。


这一发现迫使科学家们需要重新思考质子对撞的属性,也提醒他们或许在之前的实验结果中可能忽视掉的一些现象。从事这次实验结果分析的博士后里Livio Bianchi表示“许多人认为质子的质量太轻,以至于无法产生如此炽热和致密的等离子体。但新的结果让我们开始质疑这种假设。” 


在夸克-胶子等离子体中,中等大小的夸克——比如奇夸克——可以自由穿行,并最终结合成更大的复合粒子。当等离子消耗殆尽时这些强子会被喷射出来,被认为是来自粒子汤的迹象。ALICE的研究人员在质子-质子对撞实验中观测到许多奇异强子的产生。


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△ 随着在质子对撞中产生的粒子数量逐渐的增加(蓝色线条),测量到的奇异强子的数量也在增加(橙色到红色的方形)。(图片来源:ALICE/CERN)

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