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科学家看到核物质一级相变的证据

2021-09-08 10:58     来源:美国能源部     相对论重离子对撞机原子核

在相对论重离子对撞机 (RHIC) 的 STAR 探测器中,金离子与固定金目标的低能量碰撞产生的粒子轨迹帮助科学家绘制了普通核物质到自由夸克和胶子热汤的转变图。

科学

新证据表明,质子和中子在“熔化”时会经历“一级”相变——一种走走停停的温度变化。这类似于冰融化的方式:能量首先升高温度,然后在转变过程中,温度保持稳定,同时能量将固体转变为液体。只有当所有分子都变成液体时,温度才能再次升高。对于质子和中子,熔化状态是夸克和胶子的汤。在相对论重离子对撞机(RHIC) 上研究这种夸克-胶子等离子体(QGP) 的科学家们看到了这种走走停停转变的迹象。来自低能量碰撞的最新数据为这种模式增加了新的支持。

影响

超过 35 年以来,理论家们已经预测了科学家们可以寻找的特征,作为 QGP 中一阶相变的证据。但是找到这些特征需要在广泛的能量范围内研究 QGP 并绘制出微小斑点的关键特征,这些微小斑点在它们形成后仅消失了十亿分之一万亿分之一秒。由于 RHIC 的灵活性和 STAR(RHIC 的电磁跟踪器)探测器的复杂性,科学家们终于掌握了所需的测量结果。

概括

RHIC 是美国能源部 (DOE) 科学用户设施办公室,其建造的部分目的是研究核物质如何转变为自由夸克和胶子汤。RHIC 加速和碰撞不同能量的金原子核,以研究它们如何熔化形成这种 QGP。在转变过程中观察到 QGP 的压力下降和更长的寿命类似于在冻结或熔化时保持稳定的水温——这是一级相变的标志。STAR 物理学家通过测量粒子的侧向偏转(压降会降低这种“流动”)和所创建系统的大小(寿命更长的系统在一个维度上看起来更大)来寻找这些迹象。测量这种微小的尺寸变化需要使用波长小于飞米的粒子——比人类头发的宽度小十亿多倍。在本研究中以最低能量产生碰撞需要运行 RHIC,其中一个粒子束与 STAR 探测器内的固定金箔发生碰撞。来自这些最低能量、“固定目标”碰撞的数据扩展了能量范围,并与长期以来理论上发生在一阶相变中的预测模式一致。科学家们仍在收集和处理来自更详细扫描的数据,以了解不同碰撞能量下相变的其他特征。在本研究中以最低能量产生碰撞需要运行 RHIC,其中一个粒子束与 STAR 探测器内的固定金箔发生碰撞。来自这些最低能量、“固定目标”碰撞的数据扩展了能量范围,并与长期以来理论上发生在一阶相变中的预测模式一致。科学家们仍在收集和处理来自更详细扫描的数据,以了解不同碰撞能量下相变的其他特征。在本研究中以最低能量产生碰撞需要运行 RHIC,其中一个粒子束与 STAR 探测器内的固定金箔发生碰撞。来自这些最低能量、“固定目标”碰撞的数据扩展了能量范围,并与长期以来理论上发生在一阶相变中的预测模式一致。科学家们仍在收集和处理来自更详细扫描的数据,以了解不同碰撞能量下相变的其他特征。

联系

Michael Lisa

俄亥俄州立大学

lisa@physics.osu.edu

Lijuan Ruan

STAR 联合发言人,布鲁克海文国家实验室

ruan@bnl.gov

资金

这项工作得到了美国能源部科学办公室、核物理办公室、美国国家科学基金会、俄罗斯联邦教育和科学部、中国国家自然科学基金委员会、中国科学院、中国科学技术部和中国教育部,NCKU教育部高等教育萌芽项目,韩国国家研究基金会,捷克科学基金会和捷克共和国教育、青年和体育部,匈牙利国家研究、发展和创新办公室、匈牙利人力部新国家卓越计划、印度政府原子能司和科技司、波兰国家科学中心、克罗地亚共和国科学、教育和体育部、俄罗斯原子能公司和德国联邦教育部、Wissenschaft、Forschung and Technologie、亥姆霍兹协会、文部科学省和日本协会促进科学。

出版物

阿卜杜拉,MS等。(STAR Collaboration), √sNN = 4.5 GeV 处 Au+Au 碰撞的流动和干涉测量结果。物理评论 C103,034908(2021)。[DOI:10.1103/PhysRevC.103.034908]

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