科學家「煮」出了一鍋「夸克湯」

我們的宇宙最開始的時候，就是「一鍋湯」——至少科學家是這麼認為的，準確點說，是一鍋「夸克湯」，也被稱為夸克—膠子等離子態。

現在，科學家們表示，他們已經成功地在實驗室中製取了一滴這種超高熱「湯汁」——讓我們藉此回溯宇宙剛剛誕生幾微秒時的狀態。

質子和中子是原材料，大型強子對撞機相當於攪拌機，賦予粒子極高的速度和溫度，最終打破了質子和中子的結構，創造出3種幾何形狀(圓形、橢圓形和三角形)的夸克—膠子等離子體。

實驗中有一個重要發現是，即使在最小尺度下，這些微小的夸克—膠子等離子體液滴也表現出了流體的性質。科學家最初認為這是不可能的，但現在已經看到了越來越多的證據。

「我們的實驗結果使我們離那個問題的答案又近了一步：宇宙初期所包含物質的下限是多少。」科羅拉多大學博爾德分校的Jamie Nagle說道。

夸克—膠子等離子體到底是什麼玩意？它的形態看起來像是某種液體，但本身具有超高的溫度，太熱以至於無法形成原子結構——粒子物理學的「標準模型」認為，在超過1萬億攝氏度的溫度下，質子和中子也會「熔化」，變成夸克和膠子組成的等離子體，這種夸克-膠子等離子體就是「夸克湯」。

實驗中所涉及的溫度高達4萬億攝氏度，是太陽核心溫度的250000倍。

雖然這些粒子最終會冷卻下來，然後構成宇宙中的常規物質，但這種等離子體的特性對科學家們來說仍然具有很大的吸引力——它們知曉宇宙起源以及物質的全部秘密。

自世紀之交以來，紐約布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)實驗表明，夸克—膠子等離子體可能近似完美的流體。

原子的碰撞方式 (左側) 製造出了3種形態的 等離子體(右側). (PHENIX, Nature 2018)

CU Boulder的研究員Paul Romatschke說：「如果你桌上有一瓶這玩意，倒一滴出來，你就能看到，它可以無摩擦地流動。」 。

最新的實驗目的，是想看看：在最微小的尺度下，夸克湯液滴是否還能保持其形狀，遵循液體性質的假設。

而實驗中呈現出的圓、橢圓和三角形形態是最有力的證據：即使只是幾個質子破碎形成的夸克湯液滴，它們保持住了自身的性狀。

新研究支持了RHIC先前的研究結論。很多年之前，專業實驗室就已經能夠在各種條件下製造出夸克湯，但問題是，它們存在的時間過於短暫，過去難以對它們進行分析。

所以，雖然物理世界仍然有許多的未知，但離我們徹底解開宇宙誕生之謎，又近了一步。

接下來，布魯克海文國家實驗室的團隊忙著設計新的實驗來測試更小尺度的夸克—膠子等離子體的性質。

「在保證整體行為的同時，這樣的亞原子系統的規模可以小到何種程度？」田納西州范德比爾特大學的Victoria Greene向我們解釋下一步他們要搞清的地方。

研究結果被發表在Nature Physics上。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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