研究重粒子碰撞的物理学家认为,他们正在追踪一种普遍存在的物质形态,这种物质形态常见于从质子到铀等重原子核的高能粒子。一些人认为,这种被称为色玻凝聚态的物质可能解释新的核性质以及碰撞过程中粒子形成的過程。实验人员最近报告了有趣的数据,表明色玻凝聚态实际上已在过去的工作中形成。
质子和中子等粒子由更小的粒子(称为夸克和胶子)组成。正如电子带有电荷并通过光子传递力一样,夸克带有“色”荷并通过胶子传递力。但一个主要的区别是,胶子与光子不同,它们彼此之间相互作用强烈。当质子或重原子核(如金)被加速到接近光速时,内部的夸克和胶子会扁平成煎饼状结构,这是一种称为洛伦兹收缩的相对论效应。加速的能量也会产生更多的胶子。然后,扁平化的大量胶子开始重叠,落入相同的量子态,类似于低温玻色-爱因斯坦凝聚态中的原子重叠并集体表现为一个巨大的原子。
除了类似于玻色凝聚态之外,这种被压缩的物质“与普通玻璃有一些相似之处”,色玻凝聚态概念的最早提出者、布鲁克海文国家实验室的理论物理学家拉里·麦克勒兰说。例如,胶子产生的色场指向随机方向,就像玻璃中原子取向产生的小而弥散的电场一样。正如普通玻璃在短时间内(数年)是无定形固体,但在长时间间隔(数世纪)内会流动一样,这些高能胶子处于玻璃状平面状态,与核系统的典型时间尺度相比,变化非常缓慢。这种状态在所有极高能量粒子中都很常见,应该能够使物理学家描述碰撞过程中产生的粒子的分布和散射概率。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业: 订阅。通过购买订阅,您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
色玻凝聚态可以在碰撞中“破碎”。破碎可以产生夸克-胶子等离子体,这是夸克和胶子的本体形式。虽然尚未宣布任何发现,但许多物理学家认为,夸克-胶子等离子体(它将为早期宇宙提供线索)已在布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机 (RHIC) 中的重离子碰撞中产生。
作为夸克-胶子等离子体的先驱,如果等离子体形成,就应该已经产生了色玻凝聚态,正如麦克勒兰和一些实验学家所相信的那样。在德国汉堡的 HERA 加速器中进行的电子-质子散射提供了色玻凝聚态的迹象。但也许最清晰的信号发生在 RHIC 的碰撞中:包括金-金碰撞和氘核-金碰撞。(氘核由一个质子和一个中子组成。)
为了探测夸克-胶子等离子体,物理学家会检查垂直于束轴发射的粒子喷射。但为了梳理出色玻凝聚态的迹象,探测器会观察相对于束轴的非常小的角度(约四度)。在那里,大量极低动量胶子的影响占主导地位。氘核-金碰撞和金-金碰撞都在这些小的前向角产生较少的粒子(相对于其他质子-质子碰撞),这表明金核处于色玻凝聚态。这种效应最初是由被称为 BRAHMS 合作组织(用于 Broad RAnge Hadron Magnetic Spectrometer,宽量程强子磁谱仪)的多机构小组发现的;另外两个合作组织——PHOBOS 和 PHENIX——证实了 BRAHMS 的数据。
PHOBOS 的 Gunther Roland 评论说:“我认为这是一个非常有趣的暗示,表明这里正在发生一些事情。”“但我认为仍然需要在理论方面进行大量工作,以确认色玻凝聚态是我们实验中观察到的效应的原因。”
然而,哥伦比亚大学的理论物理学家米克洛斯·古拉西认为,色玻凝聚态的实验证据过于间接:“到目前为止所展示的内容对我来说还不够。”他说,凝聚态实际上应该出现在动量甚至低于已测量值的胶子中。凝聚态的直接证据可能要等到大约三年后在日内瓦附近的 CERN 大型强子对撞机中发生更高能量的质子碰撞,或者等到布鲁克海文进行升级(可能需要十年时间)才会出现。
David Appell 位于新罕布什尔州李镇。