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中美德科学家揭示亚原子“汤”涡旋结构

发稿时间:2016-11-21 10:00:50 来源:米皮网

  最近,一个由中、美、德研究人员组成的国际团队使用超级并行计算机对原子核碰撞进行模拟,给出了夸克胶子等离子体细致的涡流结构和物质粒子自旋—涡旋耦合效应,从新视角揭示出这种新物态的复杂相互作用。研究人员还提出通过测量超子极化关联函数探测夸克胶子等离子体流体特性的设想,从而对实验进行检验。相关成果近日发表于《物理评论快报》。

  宇宙标准模型认为,宇宙大爆炸最初时刻处于由自由粒子组成的炽热的“汤”,即夸克胶子等离子体,这是一种全新的物态。夸克胶子等离子体是一种“完美”的几乎无黏滞的液体。科学家一直致力于在高能原子核碰撞中产生夸克胶子等离子体,以更好地了解宇宙起源,此外它也与恒星坍缩产生的致密星(如中子星)的物理特性密切相关。

  据悉,此次数值模拟在德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心和中国华中师范大学的超级并行计算机上完成。该研究通讯作者是华中师范大学、美国伯克利国家实验室教授王新年。其他研究者包括德国法兰克福大学及高等研究所博士庞龙刚、教授彼得森和中国科技大学教授王群。

  夸克胶子等离子体是由组成物质的基本粒子即夸克和胶子构成的自由体系。胶子的主要作用是将夸克黏合在一起组成原子核中的质子和中子(统称核子)。这种奇特的等离子态的温度可以达到7万亿摄氏度,是太阳核心温度的25万倍。在这种温度下,质子和中子都被熔化,释放出通常禁闭在核子内部的夸克和胶子。

  如此高温可通过原子核的高能碰撞达到。除了使用金核与金核对撞之外,科学家还使用其他对撞粒子如质子、铜核以及铀核。欧洲核子中心的大型强子对撞机在2014年开始进行铅核与铅核对撞实验,并已确认夸克胶子等离子体表现出完美流体的现象。

  这种等离子体寿命非常短,在宇宙大爆炸后的百万分之几秒间存在过,其内部相互作用仍然存在一些待解的谜团。王新年等发现,它们表现出超出目前人们了解的更多流体性质。数值模拟显示,在偏心原子核对撞中产生的膨胀流体具有丰富的局部涡流结构,它与等离子体的流体性质和内部粒子相互作用相关。模拟显示该等离子体沿着和垂直于对撞原子核束流方向膨胀并具有涡流性质的局部旋转。就像用手指轻弹一枚硬币让它旋转一样,非对心碰撞的原子核系统携带巨大的角动量通过粒子之间相互碰撞最终以局域涡流的形式存在于夸克胶子等离子体中。

  数值模拟揭示,沿着对撞核束流方向存在一个右手螺旋方向的涡流。此外,在纵向或束流方向还有很多方向相反的涡流对。这些甜甜圈形状的涡流类似于旋转的烟圈,是经典流体力学中的常见特征。数值模拟还揭示了一种来自等离子体中热点的横向膨胀集体流,形状像车轮向外发散的辐条。该数值模拟的时间尺度非常小,大约是光穿越10到20个质子所需的时间。同时,这种带有涡流的流体像火球一样爆裂,朝外喷射出粒子流。

  王新年指出,任何对夸克胶子等离子体特性现象的理解都有助于解释高能原子核碰撞实验的数据,该数值模拟中显示出的类似甜甜圈的涡流结构是完全出人意料的。“希望这能提供另外一种途径理解为什么夸克胶子等离子体是如此完美的流体。”他说。

  该数值模拟为夸克胶子等离子体的流体行为提供了更多的证据,按照很久以前的理论,它像某种气体。王新年介绍说,而现在人们能描述它的唯一方法就是需要非常小的黏滞性(几乎没有摩擦),这是“完美流体”的一个特征,但它不是人们熟知的宏观流体比如水,它是比水分子尺寸还小数万倍的微观流体。

  美国俄亥俄州立大学教授、相对论重离子对撞机的STAR实验合作组成员迈克·里萨说,尽管有最新理论研究结果,但到目前为止在实验上还没有能力测量到等离子体中的涡流结构。STAR实验合作组的目标就是研究夸克胶子等离子体的形成及其特征。

  里萨说:“王新年及其合作者的数值模拟已显示出流体的涡流结构,更重要的是提出了一种在实验中测量这些结构的方法。”里萨表示,现在实验家正在分析相对论重离子对撞机和大型强子对撞机的实验数据,希望能证实这些理论预言。他表示:“创新就应该像这样,即理论家和实验家携手合作探索新现象,并希望把对夸克胶子等离子体的认识推向更深的层次。”(记者黄辛)

责任编辑:刘军
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