相对论重离子对撞机实验发现“手性磁波”荡漾新证据

凤凰科技讯 北京时间6月10日消息，据科学日报报道，近日研究相对论性重离子对撞机（RHIC）的科学家们在RHIC能量粒子碰撞产生的夸克-胶子等离子体(quark-gluon-plasma)里发现了所谓的“手性磁波”荡漾的新证据。相对论性重离子对撞机是美国能源部布鲁克海文国家实验室里探索核物理学和物质基本建造单元的粒子加速器。

RHIC能量粒子碰撞产生的夸克-胶子等离子体

这种波的存在是科学家们预测夸克-胶子等离子体将产生的结果之一。夸克-胶子等离子体是一种存在早期宇宙的物质状态，当时作为质子和中子建构单元的夸克和胶子仍自由存在，两者尚未在更大的粒子里密不可分。这项暂定性的发现一旦被证实将提供RHIC的能量金离子碰撞将每秒再造几千次原子核大小的等离子体体的额外证据。它还将提供详尽的证据支持波的存在所必需的一个单独的、备受争论的量子现象。这项发现被发表在期刊《物理评论快报》上，并被主编推荐为亮点文章。

为了理解这些结果，我们先深入了解一下等离子体这个看似超现实的世界，在其中磁场将左手粒子和右手粒子相分离，并产生了波，后者对带正电和带负电的粒子如何流动会产生不同的效应。

“我们的探测器测量的是碰撞产生的带负电粒子在火球‘赤道’附近的倾向，而带正电的粒子则被推向两极，” 布鲁克海文国家实验室的博士后研究员柯宏伟（Hongwei Ke）这样说道。但他解释这种差异性的流动始于金离子碰撞时。

金离子是剥离了电子的金原子，这导致一个裸露的原子核里存在79个带正电的质子。当这些离子彼此撞击略微偏离中心时，整个带电物质混合体就开始旋转。这种旋转的正电荷产生了一个垂直于循环的物质质量的强大磁场。想象下一个具有南北极的旋转球体。

在这个旋转集合里存在大量亚原子粒子，包括处于早期阶段的夸克和胶子，以及处于较晚阶段的其他粒子，它们都是由沉积在碰撞区域的能量所产生的。很多这样的粒子在磁场里移动时仍然在旋转。而它们的旋转方向相对移动方向的特性被称为手性；如果一个粒子远离时顺时针旋转则被称为右手粒子，而逆时针旋转则被称为左手粒子。

根据美国加州大学洛杉矶分校的王刚（Gang Wang ）表示，如果粒子和反粒子的数量不同，那么磁场对这些左手粒子和右手粒子的影响则不同，这会导致它们根据各自的“手征荷”而沿着磁场轴线分离。

“这种手性拆分会引起具有不同电荷的粒子分离，”刚说到。“这会引发更多手性拆分，更多的粒子分离，由此不断循环下去，两种效应彼此叠加就像波一样，因此得名手性磁波。最终，你将观察到的是两种效应共同推动更多负电粒子进入赤道，而更多正电粒子在两极堆积。” 

为了调查这种效应，科学家们测量了RHIC碰撞产生的某些正电粒子和负电粒子的集体运动。他们发现负电粒子的集体椭圆流——它们沿着赤道流出的倾向性——被增强了，而正电粒子的椭圆流则被抑制了，这导致两极正电粒子更加大量存在。更重要的是，正电粒子和负电粒子之间椭圆流的差异随着RHIC碰撞产生净电荷密度而增加。而据科学家们表示，这与利用预测手性磁波存在的理论所计算出的结果不谋而合。研究作者表示这些结果支持了RHIC可能创造了夸克-胶子等离子体，而目前为止其它模型还无法解释这一现象。

据布鲁克海文国家实验室的物理学家唐爱红（Aihong Tang）表示，这项发现具有非常重要的启示意义。“首先观察到手性磁波的证据意味着创造这个波所需的元素一定存在夸克-胶子等离子体里。其中一个便是手性磁效应——这是导致电荷沿着磁场轴线分离的量子物理学现象——而它是物理学里备受争论的一个课题。手性磁波的证据便是手性磁效应存在的证据。”唐说道。

手性磁效应还与RHIC夸克-胶子等离子体里更局部的电荷分离的另一种有趣观测有关。因此这种磁波的证据也提供了对这些早期发现的详尽支持。最后，唐指出这个导致手性磁波传播的过程需要“修复”“手性对称” 。

“在量子色动力学(Quantum Chromodynamics，简称QCD)的基态——量子色动力学是描述夸克和胶子之间基本相互作用的理论——手性对称被破坏，左手粒子和右手粒子相互转换。所以手征荷将消除，你将无法观察到手性磁波的传播。” 美国纽约州立大学石溪分校、布鲁克海文国家实验室的理论物理学家迪米特里•卡扎泽夫(Dmitri Kharzeev)这样说道。但量子色动力学预测当夸克和胶子被解约束时，或者从夸克-胶子等离子体的质子和中子里释放出来时，手性对称就恢复了。所以手性波的观测结果提供了手性对称修复的证据，而后者是创造了夸克-胶子等离子体的重要特征。

“这种解约束是如何修复对称性的？这是我们想要解决的主要问题之一，” 卡扎泽夫说道。“根据大量量子色动力学研究我们知道解约束和修复是同时发生的，这表明两者之间存在深层的关系。我们非常想要具体了解这种相关性。”

布鲁克海文国家实验室的物理学家徐章步（Zhangbu Xu）补充表示：“为了提高我们搜寻和理解手性效应的能力，我们想要对比具有相同原子质量数但不同质子数量的原子核碰撞，这样的原子核具有不同的正电荷，例如钌的原子质量数为96，其中有44个质子，而锆也有96个原子质量数，但它的质子数量为40。这使得我们可以在保证所有条件基本相同的前提下调整最初磁场的强度。”这项研究得到了科学办公室和其它组织的资金支持。(编译/严炎刘星)