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宇宙「湯」是由奇怪的等離子體團狀物熬成的?


博科園在大爆炸後的第一個瞬間,宇宙不過是夸克和膠子的「湯」——亞原子粒子,它們將成為質子和中子的組成部分。現在億年後的今天,科學家們在實驗室...

- 2019年1月11日20時58分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

在大爆炸後的第一個瞬間,宇宙不過是夸克和膠子的「湯」——亞原子粒子,它們將成為質子和中子的組成部分。現在138億年後的今天,科學家們在實驗室里重新創造了這種原始的湯。利用位於紐約厄普頓的布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機,物理學家通過將不同的質子和中子組合粉碎在一起,產生了這種夸克膠子等離子體的微小液滴。研究人員發現,在這些碰撞過程中,組成質子和中子的夸克和膠子釋放出來,表現出液體的特性。根據研究人員將粒子組合在一起的方式,這些微小的液體狀等離子體球形成了三種不同的幾何形狀之一:圓形、橢圓形或三角形。

博科園-科學科普:參與這項研究的科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado Boulder)物理學家傑米納格爾(Jamie Nagle)在一份聲明中說:實驗結果讓我們更接近於回答一個問題,那就是宇宙早期能夠存在的最小物質量是多少。夸克膠子等離子體於2000年在布魯克海文首次被創造出來,當時研究人員將金原子的原子核擊碎在一起。當時日內瓦大型強子對撞機(Large

Hadron Collider)的科學家們打破了人們的預期,將兩個質子碰撞在一起,產生了等離子體。加州大學博爾德分校的官員在聲明中表示:「這令人驚訝,因為大多數科學家認為,單個質子無法提供足夠的能量,製造出任何可以像流體一樣流動的物體。


物理學家利用布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機,創造了三種不同形狀的夸克膠子等離子體塊。這種等離子體是一種奇特的物質,在大爆炸後的最初幾毫秒就充滿了宇宙。圖片:Javier Orjuela Koop

納格爾和他的同事決定通過製造微小的球狀物質來測試這種奇異物質狀態的流體性質。研究人員預測,如果等離子體真的表現得像液體,這些小球體應該能夠保持形狀。想像有兩個液滴在真空中膨脹,如果這兩個液滴真的很接近,那麼當它們向外膨脹時,就會相互碰撞,相互擠壓,這就是形成這種模式的原因。加州大學博爾德分校的官員說:換句話說如果你把兩塊石頭近距離扔進一個池塘,這些撞擊產生的漣漪就會相互碰撞,形成一個類似橢圓的圖案。如果你把一個叫做氘核的質子-中子對撞成更大的東西,結果也可能是一樣的……同樣地質子-質子-中子三元組,也被稱為氦-3原子,可能會膨脹成類似三角形的東西。

這張圖表顯示了不同類型的原子碰撞如何產生不同形狀夸克膠子等離子體。在最上面一行,一個質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(質子-中子對)與金原子的碰撞形成一個橢圓團。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

通過將這些不同的質子和中子組合以接近光速的速度撞擊到金原子中,研究人員能夠完成他們所希望的事情:創造出橢圓和三角形的夸克膠子等離子體。當科學家們把一個質子撞擊到金原子上時,結果是一個圓形的原始湯狀物。這些短壽命的夸克膠子等離子體液滴達到了幾萬億攝氏度的溫度。加州大學博爾德分校的官員說:研究人員認為,研究這類物質「可以幫助理論家更好地理解宇宙中最初的夸克膠子等離子體如何在幾毫秒內冷卻,從而產生第一個存在的原子。這項研究結果發表在2018年12月10日的《自然物理》上。

博科園-科學科普|參考期刊文獻:《自然物理》(Nature Physics)


文:Hanneke Weitering/Space

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

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