在“夸克膠子”大海中撈細小的“超聲”針
近日，中國科學(xué)院大學(xué)陳蔚，華中師范大學(xué)楊忠、龐龍剛，華南師范大學(xué)賀亞運以及美國伯克利國家實驗室柯偉堯和王新年，通過計算模擬研究了重離子碰撞中由噴注誘導(dǎo)的馬赫波，并且引入另一種稱為二維噴注層析的技術(shù)，為捕捉擴散尾流幽靈般微弱的信號提供了新手段。研究成果發(fā)表于《物理評論快報》。
宇宙大爆炸幾個微秒后的短暫時間內(nèi)，宇宙呈現(xiàn)出一種奇異的新核物質(zhì)形態(tài)，類似于亞原子湯，被稱為夸克膠子等離子體。15年前，包括中國科學(xué)家參與的幾個國際實驗合作團隊研究發(fā)現(xiàn)，夸克膠子等離子體是一種完美流體。
在實驗室里，高能重離子碰撞會產(chǎn)生體積只有原子核大小的夸克膠子等離子體。碰撞同時會產(chǎn)生一些極高能量的夸克或膠子噴注。實驗和理論研究表明，噴注粒子在夸克膠子等離子體內(nèi)傳播時會發(fā)生散射并損失能量。這些噴注會以超聲速穿過夸克膠子等離子體。就像高速飛行的導(dǎo)彈或噴氣式飛機，一旦超聲速，就會連續(xù)壓縮周邊的介質(zhì)形成音爆，又稱赫波。
研究噴注粒子在夸克膠子等離子體中的分布和傳播模式，對于研究夸克膠子等離子體的性質(zhì)十分重要?？茖W(xué)家預(yù)測，赫波信號伴隨一個微小的擴散尾流，攜帶著噴注粒子在夸克膠子等離子體內(nèi)部崎嶇的軌跡信息。雖然人們通過實驗結(jié)果對比很容易看到噴注粒子能量損失的現(xiàn)象，但很難捕捉到其傳播過程中引起的赫波以及與之相伴的擴散尾流信號。
“擴散尾流的信號非常微弱，搜索它就像大海撈針。我們的模擬結(jié)果首次表明，可以使用二維噴注層析技術(shù)來獲取夸克膠子等離子體中擴散尾流的微小信號。”該研究負責人王新年說。為了在“夸克膠子”大海中撈到細小的“超聲”針，合作團隊參照歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上的鉛核碰撞實驗，以及美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機上進行的金核碰撞實驗，模擬數(shù)十萬個碰撞事件并進行篩選。
王新年表示，這種獨特的方法“可以幫助降低噪聲的干擾，撈到這根細小的針”。擴散尾流緊隨赫波，就像一艘快速移動的船尾蕩起的漣漪，可以作為噴注粒子超音速的信號。擴散尾流是粒子能損的體現(xiàn)，也是科學(xué)家一直在尋找這種超音速“尾跡”的證據(jù)之一。一旦夸克膠子等離子體中的擴散尾流被定位，人們就可以將其信號與背景中其他粒子區(qū)分開來。
同時，王新年認為，這項工作將幫助理解應(yīng)該尋找什么樣的信號來探索夸克膠子等離子體向物質(zhì)的演變過程。(黃辛)
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