二十多年探索，科学家首次观测到夸克-胶子等离子体扩散尾流

7 月 19 日消息，经过二十多年的探索，科学家终于首次观测到了一种存在于高温、高密度粒子“汤”中的特殊现象，这种粒子“汤”与宇宙大爆炸瞬间充斥宇宙的物质形态相似。该发现有望帮助宇宙学家进一步理解宇宙早期极端高温、高密度环境下的演化过程。

世界上最强大的粒子加速器 —— 大型强子对撞机（LHC），会定期制造这种被称为“夸克-胶子等离子体”的物质。研究人员通过让铅等重元素的原子核发生高速碰撞，产生大量被称为“喷流（jet）”的粒子束，而这种炽热且致密的粒子“汤”正是在这一过程中形成的。

这是研究夸克-胶子等离子体的必要手段，因为在现代宇宙中，夸克和胶子（统称为“部分子”）从未以自由状态存在，而是始终结合在一起，组成质子、中子等粒子。因此，只有借助将原子以接近光速的速度相撞所产生的能量，才能释放这些部分子，形成这种被称为“夸克-胶子等离子体”的高温物质状态。

当粒子穿过夸克-胶子等离子体时，会向这一介质释放能量和动量。这一过程理论上应该会在原始粒子汤中形成类似船只穿过海洋时留下的尾流。但过去二十年里，研究人员一直未能直接观测到这种被称为“扩散尾流（diffusion wake）”的现象。

直到现在，情况才有所改变。

“观测并量化夸克-胶子等离子体中的扩散尾流，为精确研究这种物质的性质和动力学打开了新的大门，也将为理解早期宇宙的演化提供新的线索。”研究团队负责人、美国伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）的拉古纳特 · 普拉丹（Raghunath Pradhan）表示。

寻找粒子尾流的新方法

此前，科学家寻找这种波动信号的方法，主要是利用大型强子对撞机制造同时产生喷流和一种名为“Z 玻色子”的粒子事件。

虽然这种方法曾提供了一些粒子尾流存在的证据，但尾流产生的信号非常微弱，很容易被其他与喷流相关的效应淹没。因此，这些观测结果的统计可信度不足，无法被认定为正式发现。

为了寻找这种尾流信号，研究团队采用了一种不同的方法。他们利用大型强子对撞机让两个铅原子核发生碰撞，产生方向相反的粒子喷流，这类事件被称为“双喷流事件（dijet event）”。

这种独特的事件结构，使研究人员能够更容易地将尾流信号从周围的噪声中分离出来。

研究团队的测量结果显示，在喷流运动方向的后方，粒子数量明显减少，尤其是在较低动量区域，这正是理论预测中扩散尾流应该呈现出的特征。

研究人员发现，最明显的尾流信号出现在更加中心化的铅-铅碰撞过程中，因为这类碰撞能够产生更多的夸克-胶子等离子体。

“这一观测成果是数十年来寻找尾流现象努力的最终结果。理论早在 20 多年前就预测了这一现象，但它一直难以在实验数据中被发现。”研究团队另一位负责人、UIC 大学的奥尔加 · 叶夫多基莫娃（Olga Evdokimov）表示。

IT之家注意到，该团队的研究论文已于 6 月 25 日被《物理评论快报》（Physical Review Letters）接受发表。