科学家「煮」出了一锅“夸克汤”

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我们的宇宙最开始的时候，就是“一锅汤”——至少科学家是这么认为的，准确点说，是一锅“夸克汤”，也被称为夸克—胶子等离子态。

现在，科学家们表示，他们已经成功地在实验室中制取出了一滴这种超高热“汤汁”——让我们借此回溯宇宙刚刚诞生几微秒时的状态。

质子和中子是原材料，大型强子对撞机相当于搅拌机，赋予粒子极高的速度和温度，最终打破了质子和中子的结构，创造出3种几何形状(圆形、椭圆形和三角形)的夸克—胶子等离子体。

实验中有一个重要发现是，即使在最小尺度下，这些微小的夸克—胶子等离子体液滴也表现出了流体的性质。科学家最初认为这是不可能的，但现在已经看到了越来越多的证据。

“我们的实验结果使我们离那个问题的答案又近了一步：宇宙初期所包含物质的下限是多少。”科罗拉多大学博尔德分校的Jamie Nagle说道。

夸克—胶子等离子体到底是什么玩意？它的形态看起来像是某种液体，但本身具有超高的温度，太热以至于无法形成原子结构——粒子物理学的“标准模型”认为，在超过1万亿摄氏度的温度下，质子和中子也会“熔化”，变成夸克和胶子组成的等离子体，这种夸克-胶子等离子体就是“夸克汤”。

实验中所涉及的温度高达4万亿摄氏度，是太阳核心温度的250000倍。

虽然这些粒子最终会冷却下来，然后构成宇宙中的常规物质，但这种等离子体的特性对科学家们来说仍然具有很大的吸引力——它们知晓宇宙起源以及物质的全部秘密。

自世纪之交以来，纽约布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)实验表明，夸克—胶子等离子体可能近似完美的流体。

原子的碰撞方式 (左侧) 制造出了3种形态的 等离子体(右侧). (PHENIX, Nature 2018)

CU Boulder的研究员Paul Romatschke说：“如果你桌上有一瓶这玩意，倒一滴出来，你就能看到，它可以无摩擦地流动。” 。

最新的实验目的，是想看看：在最微小的尺度下，夸克汤液滴是否还能保持其形状，遵循流体性质的假设。

而实验中呈现出的圆、椭圆和三角形形态是最有力的证据：即使只是几个质子破碎形成的夸克汤液滴，它们保持住了自身的性状。

新研究支持了RHIC先前的研究结论。很多年之前，专业实验室就已经能够在各种条件下制造出夸克汤，但问题是，它们存在的时间过于短暂，难以对它们进行分析。

所以，虽然物理世界仍然有许多的未知，但离我们彻底解开宇宙诞生之谜，又近了一步。

接下来，布鲁克海文国家实验室的团队忙着设计新的实验来测试更小尺度的夸克—胶子等离子体的性质。

“在保证整体行为的同时，这样的亚原子系统的规模可以小到何种程度？”田纳西州范德比尔特大学的Victoria Greene向我们解释下一步他们要搞清的地方。

研究结果被发表在Nature Physics上。

本文译自 sciencealert，由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。