物理学家观察到大爆炸初期汤中的夸克波动

• CERN的物理学家发现了夸克在夸克-胶子 plasma 中的波动
• 这一发现证实了QGP的液体特性
• 研究可能有助于理解早期宇宙。

夸克-胶子 plasma 的发现

在宇宙存在的最初时刻，温度达到了万亿度，形成了夸克和胶子的强烈混合。这些基本粒子以接近光速的速度运动，处于一种被称为夸克-胶子 plasma (QGP) 的物质状态。这种原始物质仅存在了几百万分之一秒，然后迅速冷却，使夸克和胶子结合成质子、中子以及我们今天观察到的其他粒子。

在CERN的实验

在CERN的巨大强子对撞机上，物理学家们重现了夸克-胶子等离子体，以研究其特性。通过以接近光速碰撞重离子，研究人员可以暂时分离夸克和胶子，产生微量在大爆炸后最初微秒内存在的物质。由麻省理工学院的物理学家领导的CERN团队发现了夸克在这种等离子体中移动时产生波动的明确证据。

夸克波动及其意义

观察结果提供了第一个直接证据，表明夸克-胶子等离子体作为一个整体对快速移动的粒子作出反应，产生波动和涡旋。麻省理工学院的物理学教授李彦志说：“这在我们领域一直是一个长期讨论的话题，即等离子体是否应该对夸克作出反应。” “现在我们看到，等离子体极其密集，能够减缓夸克的速度，产生涌动和涡旋，就像液体一样。”

研究方法

李和他的同事们开发了一种新方法来探测这些夸克波。他们计划在额外的粒子碰撞数据上使用这项技术，以寻找更多的例子并进行更详细的研究。通过测量波的大小、移动速度和持续时间，科学家们可以确定夸克-胶子 plasma 的重要特性。

夸克-胶子 plasma 作为理想液体

夸克-胶子 plasma 被认为是宇宙中第一种液体，也是已知的最热液体，温度可达数万亿摄氏度。科学家们还将 QGP 描述为几乎是“理想”的液体，其中单个夸克和胶子像极其光滑的液体一样一起移动，几乎没有摩擦。

模型和理论

对夸克-胶子 plasma 的理解基于大量实验和理论研究。其中一个有影响力的模型是由克里希纳·拉贾戈帕尔及其同事开发的混合模型，该模型预测夸克-胶子 plasma 在高能粒子通过时应表现得像液体。

寻找证据

物理学家们多年来一直在大型强子对撞机和其他粒子加速器上寻找这些波的证据。在这些实验中，重离子如铅被加速到接近光速并发生碰撞，产生微小的初始物质滴，这些物质通常存在的时间少于千分之一秒。

新探测技术

早期对夸克波的搜索通常集中在由夸克和反夸克组成的对上。然而，李及其同事意识到，如果没有第二个夸克产生重叠的扰动，识别单个夸克的波会更容易。他们开发了一种新技术，可以通过另一对粒子观察到 QGP 中单个夸克的效应。

Z玻色子的角色

研究人员没有寻找铅离子碰撞后产生的夸克和反夸克对，而是寻找一个夸克在几乎与Z玻色子相反的方向穿过 plasma 的事件。Z玻色子是一种中性基本粒子，与周围的 plasma 之间的相互作用很弱，这使得它作为一个干净的控制点非常有用。

研究的未来

通过新的物理方法，研究人员希望获得更多关于夸克-胶子 plasma 及其性质的数据。李说：“研究夸克波如何反弹和相互作用将为我们提供关于夸克-胶子 plasma 性质的新思路。”这一发现可能会显著推动我们对早期宇宙及其演化的理解。

来源：ScienceDaily