大型强子对撞机造出迄今最小人造液滴

近日欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)设备成功制造出迄今最小的原始物质“液滴”。

 

 

　　近日欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)设备成功制造出迄今最小的原始物质“液滴”。这是宇宙在其诞生之初时物质所呈现的模样，即大约138.2亿年前的物质状态

 

　　北京时间5月24日消息，据美国《探索》杂志网站报道，近日欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)设备成功制造出迄今最小的原始物质“液滴”。这是宇宙在其诞生之初时物质所呈现的模样，即大约138.2亿年前的物质状态。这一惊人成果是通过发射质子“子弹”高速轰击铅离子实现的，撞击发生时形成一种近乎“鲜血四溅”的神奇效果。

　　借助大型强子对撞机的数据，美国范德堡大学的物理学家们分析了撞击发生后加速器内部的情况。此前在LHC装置进行的都是质子-质子或者铅-铅原子核的高能级对撞实验，因此此次使用质子去撞击铅原子核是一项全新的尝试。

　　铅原子核的质量是单个质子的208倍，因此其具有的能量也要相应的大得多。因此，当进行铅-铅对撞时也就要激烈的多。自从2010年以来，LHC装置一直在开展铅-铅原子核的对撞实验，揭示了大量有关大爆炸之后极早期宇宙情形的信息。为了进一步在这方面推进研究，研究人员使用质子去轰击铅原子核，并且实验也取得了成功，但是数据分析需要时间，因此直到最近他们才得到了这一不同寻常的发现。

　　在对实验产生的海量数据进行分析处理的过程中，范德堡大学的物理学家们注意到实验中产生了一些极小的，由原始状态物质组成的“液滴”。在这里，实际上使用“极小”一词已经不足以描述实际情形了：这一“液滴”的直径仅大约相当于3~5个质子直径，即氢原子直径的大约10万分之一，或者一个病毒大小的大约1亿分之一。

　　朱利亚·维尔科夫斯卡(Julia Velkovska)是范德堡大学物理学教授，同时也是利用LHC-CMS探测器装置开展原子核撞击的科学家，他说：“这项发现似乎让我们目睹了群体行为的起源。”他说：“不管我们使用的具体是什么材料，在我们开始目睹类似流体的集体行为之前，总归已经有大约50个亚原子粒子产生了出来。”

　　在大爆炸发生后的很短时间内，所有物质都处于非常高能高温的状态。物质和力混杂在一起形成一种无法分离的混乱状态。随着宇宙迅速膨胀并冷却，物质开始从自然界基本力中分离出来。粒子物理学家最感兴趣的点就在于一种名为“夸克-胶子等离子体”的物质状态。通过使原子核以极高的速度实现对撞，科学家们就可以重现宇宙大爆炸极早期的情景，从而让我们得以一窥138.2亿年前宇宙的物质状态。

　　在夸克-胶子等离子体状态下，夸克还尚未与携带强作用力的胶子分离开来，理论上认为此时的这种物质状态将会和气体有些接近。因此，在2000年前后，物理学家们非常惊讶的发现夸克-胶子等离子体表现出集体行为，这是一种粒子间的相互影响效应。在质子-铅原子核对撞实验后，科学家们意识到原始等离子体的表现行为实际上更接近液体。

　　有趣的是，科学家们事先并没有意识到质子-铅原子核对撞的强度可以达到产生夸克-胶子等离子体的程度，这种撞击理论上是不应该能达到这样的能级的。维尔科夫斯卡表示：“质子-铅原子核对撞就像是发射一发子弹穿过一颗苹果，而铅原子核对撞就像是将两颗苹果高速对撞。很显然后者发出的能量要多得多。”

　　维尔科夫斯卡小组所分析的数据来自2012年9月份的实验结果，但是他们无意中发现其中有大约5%的较为猛烈的质子-铅原子核撞击事件中表现出了集体行为。对此，唯一的解释便是在质子(子弹)穿过铅原子核(苹果)形成的“孔洞”周围出现了夸克-胶子等离子体的聚集，形成微小的“液滴”。由质子-铅原子核撞击形成夸克-胶子等离子体“液滴”的大小大约仅为铅-铅原子核对撞产生的相似现象的1/10左右，因此它便成了粒子对撞实验中形成的最小尺度的夸克-胶子“液滴”。有关研究结果已经发表于近期出版的《物理快报B》上。(晨风)