破碎的玻璃

尋找最稠密的物質:色玻凝聚態

研究重粒子碰撞的物理學家認為,他們正在追蹤一種普遍存在的物質形態,這種物質形態常見於從質子到鈾等重原子核的高能粒子。一些人認為,這種被稱為色玻凝聚態的物質可能解釋新的核性質以及碰撞過程中粒子形成的過程。實驗人員最近報告了有趣的資料,表明色玻凝聚態實際上已在過去的工作中形成。

質子和中子等粒子由更小的粒子(稱為夸克和膠子)組成。正如電子帶有電荷並透過光子傳遞力一樣,夸克帶有“色”荷並透過膠子傳遞力。但一個主要的區別是,膠子與光子不同,它們彼此之間相互作用強烈。當質子或重原子核(如金)被加速到接近光速時,內部的夸克和膠子會扁平成煎餅狀結構,這是一種稱為洛倫茲收縮的相對論效應。加速的能量也會產生更多的膠子。然後,扁平化的大量膠子開始重疊,落入相同的量子態,類似於低溫玻色-愛因斯坦凝聚態中的原子重疊並集體表現為一個巨大的原子。

除了類似於玻色凝聚態之外,這種被壓縮的物質“與普通玻璃有一些相似之處”,色玻凝聚態概念的最早提出者、布魯克海文國家實驗室的理論物理學家拉里·麥克勒蘭說。例如,膠子產生的色場指向隨機方向,就像玻璃中原子取向產生的小而彌散的電場一樣。正如普通玻璃在短時間內(數年)是無定形固體,但在長時間間隔(數世紀)內會流動一樣,這些高能膠子處於玻璃狀平面狀態,與核系統的典型時間尺度相比,變化非常緩慢。這種狀態在所有極高能量粒子中都很常見,應該能夠使物理學家描述碰撞過程中產生的粒子的分佈和散射機率。


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色玻凝聚態可以在碰撞中“破碎”。破碎可以產生夸克-膠子等離子體,這是夸克和膠子的本體形式。雖然尚未宣佈任何發現,但許多物理學家認為,夸克-膠子等離子體(它將為早期宇宙提供線索)已在布魯克海文實驗室的相對論重離子對撞機 (RHIC) 中的重離子碰撞中產生。

作為夸克-膠子等離子體的先驅,如果等離子體形成,就應該已經產生了色玻凝聚態,正如麥克勒蘭和一些實驗學家所相信的那樣。在德國漢堡的 HERA 加速器中進行的電子-質子散射提供了色玻凝聚態的跡象。但也許最清晰的訊號發生在 RHIC 的碰撞中:包括金-金碰撞和氘核-金碰撞。(氘核由一個質子和一箇中子組成。)

為了探測夸克-膠子等離子體,物理學家會檢查垂直於束軸發射的粒子噴射。但為了梳理出色玻凝聚態的跡象,探測器會觀察相對於束軸的非常小的角度(約四度)。在那裡,大量極低動量膠子的影響占主導地位。氘核-金碰撞和金-金碰撞都在這些小的前向角產生較少的粒子(相對於其他質子-質子碰撞),這表明金核處於色玻凝聚態。這種效應最初是由被稱為 BRAHMS 合作組織(用於 Broad RAnge Hadron Magnetic Spectrometer,寬量程強子磁譜儀)的多機構小組發現的;另外兩個合作組織——PHOBOS 和 PHENIX——證實了 BRAHMS 的資料。

PHOBOS 的 Gunther Roland 評論說:“我認為這是一個非常有趣的暗示,表明這裡正在發生一些事情。”“但我認為仍然需要在理論方面進行大量工作,以確認色玻凝聚態是我們實驗中觀察到的效應的原因。”

然而,哥倫比亞大學的理論物理學家米克洛斯·古拉西認為,色玻凝聚態的實驗證據過於間接:“到目前為止所展示的內容對我來說還不夠。”他說,凝聚態實際上應該出現在動量甚至低於已測量值的膠子中。凝聚態的直接證據可能要等到大約三年後在日內瓦附近的 CERN 大型強子對撞機中發生更高能量的質子碰撞,或者等到布魯克海文進行升級(可能需要十年時間)才會出現。
 


David Appell 位於新罕布什爾州李鎮。

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