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早期宇宙大爆炸“汤”是由独特的等离子体团状物熬成!

在大爆炸后的第一个瞬间,宇宙不过是夸克和胶子的“汤”——亚原子粒子,它们将成为质子和中子的组成部分。现在138亿年后的今天,科学家们在实验室里重新创造了这种原始的汤。利用位于纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机,物理学家通过将不同的质子和中子组合粉碎在一起,产生了这种夸克胶子等离子体的微小液滴。研究人员发现,在这些碰撞过程中,组成质子和中子的夸克和胶子释放出来,表现出液体的特性。根据研究人员将粒子组合在一起的方式,这些微小的液体状等离子体球形成了三种不同的几何形状之一:圆形、椭圆形或三角形。

博科园-科学科普:参与这项研究的科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)物理学家杰米纳格尔(Jamie Nagle)在一份声明中说:实验结果让我们更接近于回答一个问题,那就是宇宙早期能够存在的最小物质量是多少。夸克胶子等离子体于2000年在布鲁克海文首次被创造出来,当时研究人员将金原子的原子核击碎在一起。当时日内瓦大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的科学家们打破了人们的预期,将两个质子碰撞在一起,产生了等离子体。加州大学博尔德分校的官员在声明中表示:“这令人惊讶,因为大多数科学家认为,单个质子无法提供足够的能量,制造出任何可以像流体一样流动的物体。

物理学家利用布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机,创造了三种不同形状的夸克胶子等离子体块。这种等离子体是一种奇特的物质,在大爆炸后的最初几毫秒就充满了宇宙。图片:Javier Orjuela Koop

纳格尔和他的同事决定通过制造微小的球状物质来测试这种奇异物质状态的流体性质。研究人员预测,如果等离子体真的表现得像液体,这些小球体应该能够保持形状。想象有两个液滴在真空中膨胀,如果这两个液滴真的很接近,那么当它们向外膨胀时,就会相互碰撞,相互挤压,这就是形成这种模式的原因。加州大学博尔德分校的官员说:换句话说如果你把两块石头近距离扔进一个池塘,这些撞击产生的涟漪就会相互碰撞,形成一个类似椭圆的图案。如果你把一个叫做氘核的质子-中子对撞成更大的东西,结果也可能是一样的……同样地质子-质子-中子三元组,也被称为氦-3原子,可能会膨胀成类似三角形的东西。

这张图表显示了不同类型的原子碰撞如何产生不同形状夸克胶子等离子体。在最上面一行,一个质子被粉碎成一个金原子,形成一个圆形的等离子体。在中间一行,氘核(质子-中子对)与金原子的碰撞形成一个椭圆团。在最下面一行,氦-3与金原子碰撞形成一个三角形。图片:PHENIX/Nature 2018

通过将这些不同的质子和中子组合以接近光速的速度撞击到金原子中,研究人员能够完成他们所希望的事情:创造出椭圆和三角形的夸克胶子等离子体。当科学家们把一个质子撞击到金原子上时,结果是一个圆形的原始汤状物。这些短寿命的夸克胶子等离子体液滴达到了几万亿摄氏度的温度。加州大学博尔德分校的官员说:研究人员认为,研究这类物质“可以帮助理论家更好地理解宇宙中最初的夸克胶子等离子体如何在几毫秒内冷却,从而产生第一个存在的原子。这项研究结果发表在2018年12月10日的《自然物理》上。

博科园-科学科普|参考期刊文献:《自然物理》(Nature Physics)

文:Hanneke Weitering/Space

论文DOI:doi.org/10.1038/s41567-018-0360-0

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