近日歐洲核子中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)設(shè)備成功制造出迄今最小的原始物質(zhì)“液滴”。 |
近日歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)設(shè)備成功制造出迄今最小的原始物質(zhì)“液滴”。這是宇宙在其誕生之初時物質(zhì)所呈現(xiàn)的模樣，即大約138.2億年前的物質(zhì)狀態(tài)
北京時間5月24日消息，據(jù)美國《探索》雜志網(wǎng)站報道，近日歐洲核子中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)設(shè)備成功制造出迄今最小的原始物質(zhì)“液滴”。這是宇宙在其誕生之初時物質(zhì)所呈現(xiàn)的模樣，即大約138.2億年前的物質(zhì)狀態(tài)。這一驚人成果是通過發(fā)射質(zhì)子“子彈”高速轟擊鉛離子實現(xiàn)的，撞擊發(fā)生時形成一種近乎“鮮血四濺”的神奇效果。
借助大型強子對撞機的數(shù)據(jù)，美國范德堡大學的物理學家們分析了撞擊發(fā)生后加速器內(nèi)部的情況。此前在LHC裝置進行的都是質(zhì)子-質(zhì)子或者鉛-鉛原子核的高能級對撞實驗，因此此次使用質(zhì)子去撞擊鉛原子核是一項全新的嘗試。
鉛原子核的質(zhì)量是單個質(zhì)子的208倍，因此其具有的能量也要相應(yīng)的大得多。因此，當進行鉛-鉛對撞時也就要激烈的多。自從2010年以來，LHC裝置一直在開展鉛-鉛原子核的對撞實驗，揭示了大量有關(guān)大爆炸之后極早期宇宙情形的信息。為了進一步在這方面推進研究，研究人員使用質(zhì)子去轟擊鉛原子核，并且實驗也取得了成功，但是數(shù)據(jù)分析需要時間，因此直到最近他們才得到了這一不同尋常的發(fā)現(xiàn)。
在對實驗產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行分析處理的過程中，范德堡大學的物理學家們注意到實驗中產(chǎn)生了一些極小的，由原始狀態(tài)物質(zhì)組成的“液滴”。在這里，實際上使用“極小”一詞已經(jīng)不足以描述實際情形了：這一“液滴”的直徑僅大約相當于3~5個質(zhì)子直徑，即氫原子直徑的大約10萬分之一，或者一個病毒大小的大約1億分之一。
朱利亞·維爾科夫斯卡(Julia Velkovska)是范德堡大學物理學教授，同時也是利用LHC-CMS探測器裝置開展原子核撞擊的科學家，他說：“這項發(fā)現(xiàn)似乎讓我們目睹了群體行為的起源?！彼f：“不管我們使用的具體是什么材料，在我們開始目睹類似流體的集體行為之前，總歸已經(jīng)有大約50個亞原子粒子產(chǎn)生了出來?！?/p>
在大爆炸發(fā)生后的很短時間內(nèi)，所有物質(zhì)都處于非常高能高溫的狀態(tài)。物質(zhì)和力混雜在一起形成一種無法分離的混亂狀態(tài)。隨著宇宙迅速膨脹并冷卻，物質(zhì)開始從自然界基本力中分離出來。粒子物理學家最感興趣的點就在于一種名為“夸克-膠子等離子體”的物質(zhì)狀態(tài)。通過使原子核以極高的速度實現(xiàn)對撞，科學家們就可以重現(xiàn)宇宙大爆炸極早期的情景，從而讓我們得以一窺138.2億年前宇宙的物質(zhì)狀態(tài)。
在夸克-膠子等離子體狀態(tài)下，夸克還尚未與攜帶強作用力的膠子分離開來，理論上認為此時的這種物質(zhì)狀態(tài)將會和氣體有些接近。因此，在2000年前后，物理學家們非常驚訝的發(fā)現(xiàn)夸克-膠子等離子體表現(xiàn)出集體行為，這是一種粒子間的相互影響效應(yīng)。在質(zhì)子-鉛原子核對撞實驗后，科學家們意識到原始等離子體的表現(xiàn)行為實際上更接近液體。
有趣的是，科學家們事先并沒有意識到質(zhì)子-鉛原子核對撞的強度可以達到產(chǎn)生夸克-膠子等離子體的程度，這種撞擊理論上是不應(yīng)該能達到這樣的能級的。維爾科夫斯卡表示：“質(zhì)子-鉛原子核對撞就像是發(fā)射一發(fā)子彈穿過一顆蘋果，而鉛原子核對撞就像是將兩顆蘋果高速對撞。很顯然后者發(fā)出的能量要多得多?！?/p>
維爾科夫斯卡小組所分析的數(shù)據(jù)來自2012年9月份的實驗結(jié)果，但是他們無意中發(fā)現(xiàn)其中有大約5%的較為猛烈的質(zhì)子-鉛原子核撞擊事件中表現(xiàn)出了集體行為。對此，唯一的解釋便是在質(zhì)子(子彈)穿過鉛原子核(蘋果)形成的“孔洞”周圍出現(xiàn)了夸克-膠子等離子體的聚集，形成微小的“液滴”。由質(zhì)子-鉛原子核撞擊形成夸克-膠子等離子體“液滴”的大小大約僅為鉛-鉛原子核對撞產(chǎn)生的相似現(xiàn)象的1/10左右，因此它便成了粒子對撞實驗中形成的最小尺度的夸克-膠子“液滴”。有關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于近期出版的《物理快報B》上。(晨風)
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