2021-09-11 17:55:34

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宇宙"大爆炸"后的极短瞬间会形成超高能量密度,这使得一种称为"夸克-胶子等离子体"是与质子和中子不同的另一种新型物质形态。

基本信息

  • 中文名称

    夸克-胶子等离子体

  • 实质

    新型物质形态

  • 要求

    宇宙"大爆炸"后的极短瞬间

  • 发生时间

    120亿至150亿年前

折叠 编辑本段 基本信息

现有宇宙理论认为,宇宙形成于距今约120亿至150亿年前的一次"大爆炸"。宇宙"大爆炸"后的极短瞬间会形成超高能量密度,这使得一种称为"夸克-胶子等离子体"的物质能够在约10微秒(1微秒为百万分之一秒)的极短时间内充斥宇宙,然后再凝聚结合形成原子核等物质。但迄今科学家们还难以对这一理论假设进行检验。

欧洲核子中心的最新研究成果使得科学家们能够验证"大爆炸"数微秒后的宇宙景象。这项重大突破不仅使物理学的研究疆域拓展至接近宇宙诞生初始,而且对考察宇宙的起源、物质的本性以及对验证现有的粒子物理标准模型等都有重要意义。

近代物理学研究认为,原子的构造单元是质子和中子等亚原子粒子[1],而亚原子粒子又由夸克等更微观的基本粒子构成。夸克间通过强力作用组合成质子和中子,而这种强作用力主要通过另一种名为胶子的基本粒子来传递。

夸克-胶子等离子体(QGP)物质,它是在大爆炸第一个微秒中存在的唯一物质,可以揭示等离子体在宇宙早期演化的"独特故事":首先,由夸克和胶子组成的等离子体被宇宙热膨胀所分离;然后,夸克碎片重组为所谓的强子;一个有三个夸克的强子组成一个质子,是原子核的一部分,这些也是构成地球、人们自己和现今所有环绕人们的宇宙"基石"的核心。夸克-胶子等离子体存在于宇宙大爆炸的第一个0.000001秒,但随后由于膨胀而消失。

折叠 编辑本段 形成原理

通常情况下,夸克由于受到强作用力而被子约束于原子核尺度内,自身无法独立存在。但现有一些理论假设认为,足够大的能量和温度应该能拆解质子和中子,并使夸克和胶子重新结合形成所谓"夸克-胶子等离子体"。"夸克-胶子等离子体"是与质子和中子不同的另一种新型物质形态。

夸克-胶子浆成形于两束相对论性加速的黄金离子对撞点,此对撞点位于STAR探测器的中心;探测器设于美国布鲁克哈芬国家实验室的相对论性重离子对撞机。

为了拆除束缚夸克的强作用力,参加"重离子"计划的科学家利用铅离子互相撞击产生的超高能量进行实验。

折叠 编辑本段 最新成果

通过对多年实验的数据进行综合分析,科学家最近终于发现,在铅离子的碰撞中有新的物质形态产生,其特征与理论预测的"夸克-胶子等离子体"的很多特征相符。

欧洲核子研究中心的公报指出,新成果证明了现有的一些对夸克间基本作用力的预测是正确的,同时也是在了解宇宙早期演化方面向前迈出的重要一步。新成果是国际物理学界通力合作的产物,包括中国在内的20个国家的约500名科学家参与了"重离子"研究计划。

2021年6月1日,据每日科学网站消息称,欧洲科学家团队利用大型强子对撞机(LHC),揭示了宇宙大爆炸第一个0.000001秒内发生的新细节,即第一个微秒内一种特殊的等离子体发生了什么,这种等离子体不但是宇宙有史以来的"第一种物质",其相关细节还为我们今天所知的宇宙演变提供了一块重要"拼图"。

折叠 编辑本段 存在的新证据

工作于相对论性重离子对撞机(RHIC)的物理学家宣布,他们创造了一种非同寻常的物理条件,有可能发现了夸克-胶子等离子体。现有物理学理论认为,夸克-胶子等离子体是宇宙大爆炸后百万分之一秒内存在的物质。

RHIC上的最新发现源于2003年1月至3月所进行的一系列实验,其中包括金核与氘核(氘-金)对撞的实验、两束氘核(氘-氘)对撞实验,并与所做的两束金核(金-金)对撞的实验结果作对比分析。

物理学家采用让金原子核对撞的办法,试图在实验室再现早期宇宙极热、密度极大的瞬间条件,早先在RHIC上进行的实验显示,金原子核撞击产生的温度曾比太阳表面温度高出3亿多倍。更重要的是,科学家期待,对撞后的金核内单个质子和中子被融化,释放出夸克和胶子,可获得"夸克-胶子等离子体"。而氘核像子弹一样通过大金核,并未被加热到极高温或受到强力压缩。金核则保持了由质子和中子组成的常态。

原子核的碰撞会导致一对夸克从质子或中子的束缚中挣脱出来,形成两束由普通粒子组成的"喷注"(jet),科学家利用这些"喷注"来研究核环境。在氘-金对撞实验中,观测到两束"喷注",但在金-金对撞实验中,其中一束喷注失踪了,此外,金-金对撞实验中所观测到的高能量单粒子数量比氘-金对撞实验观测到的要少。这些差异引起了研究人员兴趣,由此说明,金-金对撞所产生的核环境完全不同于氘-金对撞。而夸克-胶子等离子体理论已经预言,如果金原子核碰撞过程中产生"夸克-胶子等离子体",那么会产生"喷注猝灭(jet quenching)"现象,其中一束喷注消失。

研究人员在报告这一新发现的同时强调,他们并未完全确认发现了夸克-胶子等离子体。布鲁克黑文国家实验室高能和核物理实验室的负责人柯克(T.Kirk)说:这是一个激动人心的结果,表明我们正走在科学发现的正确道路上,但是创造夸克-胶子等离子体的研究还没有结束。

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