宇宙最初处于极度炙热稠密状态,这是一个相当准确但也模糊的描述,究竟是什么东西又热又致密?要回答这问题,就必须进行复杂的理论建模和高能粒子物理实验。最近科学家利用对撞机实验研究了夸克-胶子电浆如何在大爆炸后0.000001秒内转变成强子,虽然只是小细节,却能帮助掌握宇宙的关键转变。
根据粒子物理学与标准宇宙学模型,物理学家相信大爆炸后0.000001秒内曾唯一存在称为夸克-胶子电浆(Quark-Gluon Plasma,简称QGP)的物质状态,俗称夸克汤(quark soup),其行为受强作用力控制,遵循量子色动力学(QCD)定律,随后因宇宙膨胀而消失,重新形成所谓的强子。
然而,尽管科学家目前对描述夸克与胶子之间强交互作用的QCD理论已有一定理解,但描述该理论的数学程序是如此复杂难以计算,就算超级计算机来也很难计算夸克-胶子相互作用的状态,我们该如何理解它?
只能来硬的了。
直接利用对撞机将电浆中离子以接近光速的速度撞击在一起,在170MeV能级下环境短暂制造出QGP,重现大爆炸历史,追溯宇宙在不到1毫秒时间内究竟发生了什么事,看看QGP如何从最初状态演变为原子与构成生命要素的关键。过去,欧洲核子研究组织(CERN)和布鲁克黑文国家实验室(BNL)曾利用金和铅原子核进行过以上撞击实验。
最近,大型强子对撞机中的A大型离子对撞机实验(A Large Ion Collider Experiment,ALICE)研究了这种碰撞,不仅分析了QGP状态,还研究了夸克-胶子电浆如何转变成强子(两种最常见的强子类型是构成原子核的质子和中子)。
此外,研究人员开发了新算法能够比以往方法一次分析更多粒子,而研究结果颠覆以往科学家认为电浆是气体的一种形式,实际上QGP更像光滑的液体形式(如水),随着时间推移不断变化形状,从而与其他物质区分开来。
这项发现看起来是个很小的细节,但也能帮天文学家解决一些大爆炸谜题,究竟当前可观测宇宙如何在瞬间经历指数级膨胀将近1,026倍,并冷却了100,000倍。
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