在“夸克膠子”大海中撈細(xì)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(yùn)以及美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室柯偉堯和王新年，通過計(jì)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(kuò)散尾流幽靈般微弱的信號(hào)提供了新手段。研究成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
宇宙大爆炸幾個(gè)微秒后的短暫時(shí)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(gè)國際實(shí)驗(yàn)合作團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，夸克膠子等離子體是一種完美流體。
在實(shí)驗(yàn)室里，高能重離子碰撞會(huì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生一些極高能量的夸克或膠子噴注。實(shí)驗(yàn)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(shí)會(huì)發(fā)生散射并損失能量。這些噴注會(huì)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(jī)，一旦超聲速，就會(huì)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(duì)于研究夸克膠子等離子體的性質(zhì)十分重要。科學(xué)家預(yù)測(cè)，赫波信號(hào)伴隨一個(gè)微小的擴(kuò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(kuò)散尾流信號(hào)。
“擴(kuò)散尾流的信號(hào)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(kuò)散尾流的微小信號(hào)。”該研究負(fù)責(zé)人王新年說。為了在“夸克膠子”大海中撈到細(xì)小的“超聲”針，合作團(tuán)隊(duì)參照歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的鉛核碰撞實(shí)驗(yàn)，以及美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行的金核碰撞實(shí)驗(yàn)，模擬數(shù)十萬個(gè)碰撞事件并進(jìn)行篩選。
王新年表示，這種獨(dú)特的方法“可以幫助降低噪聲的干擾，撈到這根細(xì)小的針”。擴(kuò)散尾流緊隨赫波，就像一艘快速移動(dòng)的船尾蕩起的漣漪，可以作為噴注粒子超音速的信號(hào)。擴(kuò)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(kuò)散尾流被定位，人們就可以將其信號(hào)與背景中其他粒子區(qū)分開來。
同時(shí)，王新年認(rèn)為，這項(xiàng)工作將幫助理解應(yīng)該尋找什么樣的信號(hào)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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