在它開始時(shí)，宇宙是一個(gè)超級(jí)大熔爐，它非常簡(jiǎn)單地提供了一種類似“完美”無(wú)摩擦液體的顆粒湯。科學(xué)家們?cè)诟吣芎伺鲎仓兄匦聞?chuàng)造了這種稱為夸克 - 膠子等離子體的“湯”，以更好地了解我們宇宙的起源和物質(zhì)本身的本質(zhì)。物理學(xué)也可能與中子星相關(guān)，中子星是坍縮恒星的極其密集的核心。

現(xiàn)在，由包括伯克利實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家在內(nèi)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬原子核碰撞，提供了關(guān)于這種湯的扭曲，漩渦狀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部工作原理的新見解，并且還點(diǎn)亮了一條道路實(shí)驗(yàn)如何證實(shí)這些特征。這項(xiàng)工作發(fā)表在11月1日的“ 物理評(píng)論快報(bào)”上。

重要，解構(gòu)

這種湯含有解構(gòu)的物質(zhì)成分，即被稱為夸克的基本粒子和稱為膠子的其他粒子，通常將夸克結(jié)合形成其他粒子，例如在原子核心處發(fā)現(xiàn)的質(zhì)子和中子。在這種充滿異國(guó)情調(diào)的等離子體狀態(tài) - 可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)億華氏度，比太陽(yáng)的核心溫度高幾十萬(wàn)倍 - 質(zhì)子和中子融化，從原子中心的通常范圍內(nèi)釋放出夸克和膠子。

這些創(chuàng)紀(jì)錄的高溫是通過在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的RHIC(相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī))碰撞金核和CERN的LHC(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))的鉛核來實(shí)現(xiàn)的。RHIC的實(shí)驗(yàn)在2005年發(fā)現(xiàn)，夸克 - 膠子等離子體表現(xiàn)得像流體。除了金核，RHIC還被用于碰撞質(zhì)子，銅和鈾。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在2014年開始進(jìn)行重離子實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)夸克 - 膠子等離子體表現(xiàn)得像流體。

關(guān)于這種短暫的等離子體狀態(tài)的內(nèi)部運(yùn)作仍然存在許多謎團(tuán)，這種狀態(tài)在新生兒宇宙中可能只存在百萬(wàn)分之一秒，核物理學(xué)家正在使用理論，模擬和實(shí)驗(yàn)的混合來收集關(guān)于這一點(diǎn)的新細(xì)節(jié)。亞原子湯。

等離子體結(jié)構(gòu)令人驚訝的復(fù)雜性

“在我們精密的模擬中，我們發(fā)現(xiàn)這種等離子體的結(jié)構(gòu)比我們意識(shí)到的要多得多，”伯克利實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)部的理論家王新年說，他在高能物理學(xué)方面工作了多年。核碰撞。

當(dāng)在兩個(gè)維度上繪制時(shí)，模擬發(fā)現(xiàn)，重核的略微偏離中心的碰撞會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)和膨脹的流體，Wang說，局部旋轉(zhuǎn)以類似螺旋狀的方式扭曲。

這種螺旋形特征與產(chǎn)生等離子體的碰撞原子核的特性有關(guān)，模擬顯示沿著和垂直于光束方向擴(kuò)展。就像用手指輕彈硬幣一樣，模擬結(jié)果表明，碰撞原子核的角動(dòng)量特性可以將旋轉(zhuǎn)特性轉(zhuǎn)化為夸克膠子等離子體，形成旋渦狀環(huán)狀結(jié)構(gòu)，稱為渦旋。

模擬顯示這些環(huán)形渦流中的兩個(gè) - 每個(gè)都圍繞碰撞核的單獨(dú)光束的每個(gè)方向具有右手取向 - 以及沿著等離子體的最長(zhǎng)維度的許多對(duì)相反取向的渦流。這些環(huán)形特征類似于旋轉(zhuǎn)煙環(huán)，是流體經(jīng)典研究中的常見特征，這一領(lǐng)域稱為流體動(dòng)力學(xué)。

模擬還揭示了等離子體中熱點(diǎn)的圖案向外流動(dòng)，類似于車輪的輻條。王說，模擬所涵蓋的時(shí)間尺度無(wú)限小，大致是光到達(dá)10-20個(gè)質(zhì)子所需的時(shí)間。在此期間，擺動(dòng)的液體像火球一樣爆炸，從中間向外噴射顆粒湯的速度比從頂部噴出的速度快。

任何對(duì)夸克 - 膠子等離子體特性的新認(rèn)識(shí)都應(yīng)該有助于解釋來自原子碰撞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，Wang說，并指出在模擬中出現(xiàn)的幾個(gè)局部甜甜圈結(jié)構(gòu)“完全出乎意料”。

解開一個(gè)謎

“我們可以認(rèn)為這是打開一個(gè)全新的窗口，看看夸克 - 膠子等離子體，以及如何研究它們，”他說。“希望這將為理解為什么這種夸克 - 膠子流體是如此完美的流體提供了另一個(gè)途徑 - 為什么這樣做的本質(zhì)仍然是一個(gè)難題。這項(xiàng)工作不僅有益于理論，還有實(shí)驗(yàn)。”

模擬提供了更多的證據(jù)表明夸克 - 膠子等離子體表現(xiàn)得像流體，而不是曾經(jīng)理論化的氣體。“你能描述的唯一方法就是粘度非常小，”或幾乎沒有摩擦，這就是所謂的“完美液體”或“基本液體”的特征，“王說。但不像熟悉的液體如水，模擬的重點(diǎn)是比水分子小數(shù)百倍的流體狀態(tài)。

俄亥俄州立大學(xué)的物理學(xué)教授邁克爾麗莎是RHIC(STAR)支持Solenoidal Tracker的合作的一部分，他表示這種等離子體的所謂渦度或“旋渦結(jié)構(gòu)”從未通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量過，盡管這是最新的理論工作可能有助于回家。STAR旨在研究夸克 - 膠子等離子體的形成和特征。

“王和他的合作者開發(fā)了一種先進(jìn)的，最先進(jìn)的夸克 - 膠子等離子體流體動(dòng)力學(xué)模型，并確定了在流體本身內(nèi)變化的旋流結(jié)構(gòu)，”他說。“更有用的是，他們提出了一種在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量這些結(jié)構(gòu)的方法。”

Lisa還表示正在進(jìn)行分析工作，以確認(rèn)模擬在RHIC和LHC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的發(fā)現(xiàn)。“這正是這樣的創(chuàng)新，理論與實(shí)驗(yàn)合作探索新現(xiàn)象，對(duì)于更深入地了解夸克 - 膠子等離子體有著最大的希望，”他說。

“許多工具已用于探測(cè)這種獨(dú)特物質(zhì)的內(nèi)部工作機(jī)制和對(duì)稱性質(zhì)，”STAR合作的發(fā)言人和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一名科學(xué)家科學(xué)家張旭旭說。他還表示，STAR的初步結(jié)果也表明流體中存在一些旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，模擬工作為這種可能性“增加了新的維度”。