物理學(xué)家們通過將粒子擊碎在一起，可能創(chuàng)造出了宇宙中最小的流體液滴——一個質(zhì)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，在宇宙大爆炸后的最初幾微秒內(nèi)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(xué)(Rutgers University)的理論物理學(xué)家杰奎琳·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(xué)家以前曾用粒子碰撞來產(chǎn)生這種原始的湯，一些實(shí)驗(yàn)表明，某些碰撞產(chǎn)生的流體和質(zhì)子一樣小。在2018年12月10日發(fā)表在《自然物理》(Nature Physics)上的一篇新論文中，來自開創(chuàng)性的高能核相互作用實(shí)驗(yàn)(PHENIX)的物理學(xué)家們報告了迄今為止最令人信服的證據(jù)，證明這些液滴可以如此微小。

博科園-科學(xué)科普：科羅拉多大學(xué)博爾德分校(University of Colorado Boulder)的物理學(xué)家杰米納格爾(Jamie Nagle)分析了最近幾次實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)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(jié)果可以幫助物理學(xué)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(zhì)。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么的認(rèn)識。這些實(shí)驗(yàn)是在紐約布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory)的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)上完成。2005年物理學(xué)家在這里通過撞擊原子核，創(chuàng)造了第一個夸克膠子等離子體?？淇耸菢?gòu)成質(zhì)子和中子的基本粒子，而質(zhì)子和中子又構(gòu)成原子核。

膠子是一種攜力粒子，它通過一種強(qiáng)大的力將夸克在質(zhì)子或中子中結(jié)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(xué)家先前假設(shè)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(rèn)為，一小團(tuán)，比如說三個或四個單獨(dú)的水分子不會表現(xiàn)得像流體。因此為了使夸克膠子等離子體的流體盡可能大，RHIC物理學(xué)家們把像金這樣的大原子核碰撞在一起，產(chǎn)生了大小相似的流體——大約是質(zhì)子的10倍。但是物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們碰撞較小的粒子時，意外地發(fā)現(xiàn)了一些質(zhì)子大小的流體跡象（例如在日內(nèi)瓦附近大型強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行的質(zhì)子碰撞中）。

為了證實(shí)這些微小流體是否真的存在，物理學(xué)家在RHIC發(fā)射的質(zhì)子上運(yùn)行了PHENIX探測器，氘核每個原子核包含一個質(zhì)子和一個中子，金原子核上的氦-3原子核。科學(xué)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(zhì)子會形成一個圓形液滴，氘核會產(chǎn)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，然后高溫會導(dǎo)致液滴膨脹得如此之快，以致于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(shí)驗(yàn)花了好幾年時間，最后研究人員發(fā)現(xiàn)了這些能說明問題的形狀，這表明碰撞確實(shí)產(chǎn)生了質(zhì)子大小的液滴。

有了六組完整的測量數(shù)據(jù)，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(jié)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(chǎn)生的噴流。如果這些微小的流體真的形成了，金原子核與質(zhì)子、氘核或黑子-3之間的碰撞應(yīng)該會產(chǎn)生高速粒子，形成噴射，然后噴射通過新產(chǎn)生的夸克膠子液滴。當(dāng)射流在液體中呼嘯而過時，它會失去能量并減慢速度，就像一顆子彈在水中穿行一樣。但到目前為止，測量結(jié)果顯示，噴流損失的能量并沒有預(yù)期的那么多。未來的實(shí)驗(yàn)，例如計劃于2023年發(fā)射的PHENIX升級版，將幫助物理學(xué)家更好地理解發(fā)生了什么，并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(chǎn)生不同形狀夸克膠子等離子體。在最上面一行一個質(zhì)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(zhì)子-中子對)與金原子的碰撞形成一個橢圓團(tuán)。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(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《Nature Physics》

研究/來自：Marcus Woo/Live Science

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

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美