中美德科學家揭示亞原子「湯」渦旋結構

最近，一個由中、美、德研究人員組成的國際團隊使用超級並行計算機對原子核碰撞進行模擬，給出了夸克膠子等離子體細緻的渦流結構和物質粒子自旋—渦旋耦合效應，從新視角揭示出這種新物態的複雜相互作用。研究人員還提出通過測量超子極化關聯函數探測夸克膠子等離子體流體特性的設想，從而對實驗進行檢驗。相關成果近日發表於《物理評論快報》。

宇宙標準模型認為，宇宙大爆炸最初時刻處於由自由粒子組成的熾熱的「湯」，即夸克膠子等離子體，這是一種全新的物態。夸克膠子等離子體是一種「完美」的幾乎無黏滯的液體。科學家一直致力於在高能原子核碰撞中產生夸克膠子等離子體，以更好地了解宇宙起源，此外它也與恆星坍縮產生的緻密星（如中子星）的物理特性密切相關。

據悉，此次數值模擬在德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心和中國華中師範大學的超級並行計算機上完成。該研究通訊作者是華中師範大學、美國伯克利國家實驗室教授王新年。其他研究者包括德國法蘭克福大學及高等研究所博士龐龍剛、教授彼得森和中國科技大學教授王群。

夸克膠子等離子體是由組成物質的基本粒子即夸克和膠子構成的自由體系。膠子的主要作用是將夸克黏合在一起組成原子核中的質子和中子（統稱核子）。這種奇特的等離子態的溫度可以達到7萬億攝氏度，是太陽核心溫度的25萬倍。在這種溫度下，質子和中子都被熔化，釋放出通常禁閉在核子內部的夸克和膠子。

如此高溫可通過原子核的高能碰撞達到。除了使用金核與金核對撞之外，科學家還使用其他對撞粒子如質子、銅核以及鈾核。歐洲核子中心的大型強子對撞機在2014年開始進行鉛核與鉛核對撞實驗，並已確認夸克膠子等離子體表現出完美流體的現象。

這種等離子體壽命非常短，在宇宙大爆炸後的百萬分之幾秒間存在過，其內部相互作用仍然存在一些待解的謎團。王新年等發現，它們表現出超出目前人們了解的更多流體性質。數值模擬顯示，在偏心原子核對撞中產生的膨脹流體具有豐富的局部渦流結構，它與等離子體的流體性質和內部粒子相互作用相關。模擬顯示該等離子體沿著和垂直於對撞原子核束流方向膨脹並具有渦流性質的局部旋轉。就像用手指輕彈一枚硬幣讓它旋轉一樣，非對心碰撞的原子核系統攜帶巨大的角動量通過粒子之間相互碰撞最終以局域渦流的形式存在於夸克膠子等離子體中。

數值模擬揭示，沿著對撞核束流方向存在一個右手螺旋方向的渦流。此外，在縱向或束流方向還有很多方向相反的渦流對。這些甜甜圈形狀的渦流類似於旋轉的煙圈，是經典流體力學中的常見特徵。數值模擬還揭示了一種來自等離子體中熱點的橫向膨脹集體流，形狀像車輪向外發散的輻條。該數值模擬的時間尺度非常小，大約是光穿越10到20個質子所需的時間。同時，這種帶有渦流的流體像火球一樣爆裂，朝外噴射出粒子流。

王新年指出，任何對夸克膠子等離子體特性現象的理解都有助於解釋高能原子核碰撞實驗的數據，該數值模擬中顯示出的類似甜甜圈的渦流結構是完全出人意料的。「希望這能提供另外一種途徑理解為什麼夸克膠子等離子體是如此完美的流體。」他說。

該數值模擬為夸克膠子等離子體的流體行為提供了更多的證據，按照很久以前的理論，它像某種氣體。王新年介紹說，而現在人們能描述它的唯一方法就是需要非常小的黏滯性（幾乎沒有摩擦），這是「完美流體」的一個特徵，但它不是人們熟知的宏觀流體比如水，它是比水分子尺寸還小數萬倍的微觀流體。

美國俄亥俄州立大學教授、相對論重離子對撞機的STAR實驗合作組成員邁克·里薩說，儘管有最新理論研究結果，但到目前為止在實驗上還沒有能力測量到等離子體中的渦流結構。STAR實驗合作組的目標就是研究夸克膠子等離子體的形成及其特徵。

里薩說：「王新年及其合作者的數值模擬已顯示出流體的渦流結構，更重要的是提出了一種在實驗中測量這些結構的方法。」里薩表示，現在實驗家正在分析相對論重離子對撞機和大型強子對撞機的實驗數據，希望能證實這些理論預言。他表示：「創新就應該像這樣，即理論家和實驗家攜手合作探索新現象，並希望把對夸克膠子等離子體的認識推向更深的層次。」（記者黃辛）

[責任編輯:趙清建]

TAG:光明網 |

※歐洲科學家發現新的次原子粒子
※科學家發現全新原子連接方式
※中國科學家開啟超冷原子量子模擬「一扇門」
※防範希特勒扔原子彈？外媒曝光英王室二戰珍寶庫
※神秘亞原子：第五種自然之力被科學家發現
※揭開原子秘密的人——盧瑟福 盧瑟福與原子模型
※科學家首次測量反物質氫原子光譜
※外媒稱英王室珍寶被藏地下室 防希特勒扔原子彈
※中國突破微小型原子自旋陀螺儀技術 僅中美掌握
※遠赴美國為何？斑馬軍團的原子螞蟻，塞巴斯蒂安-喬文科
※德謨克利特的原子
※[視頻]蘭卡斯特大學研發原子級石墨烯防偽技術
※新紀錄！華人科學家造出迄今最精準原子鐘
※美科學家研製世界最細鑽石電線：寬度僅3個原子
※揭秘美國決定向日本廣島投擲原子彈內幕
※科學家曾因為這個問題拒絕研究原子彈
※天文學家發現宇宙中「失蹤」的原子，有望揭開宇宙演變的謎團
※新工藝：德國科學家用人造原子製造出超快光源
※最新消息：科學家解答原子核大小的宇宙如何演化今天的世界