物理学家窥视量子物质火球内部

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一个金婚戒会在1000摄氏度左右融化，在2800摄氏度左右蒸发，但这些变化只是可能发生的事情的开始。把温度调高到几万亿度，原子深处的粒子就开始转变成新的非原子构型。物理学家试图描绘出这些奇异的状态——它们可能发生在宇宙大爆炸期间，并被认为是中子星碰撞和强大的宇宙射线碰撞产生的——以便了解宇宙最激烈的时刻。

现在，在德国进行的一项名为“高接受度双电子光谱仪”(HADES)的实验在这张地图上找到了一个新的点。

几十年来，实验人员使用强力对撞机将金和其他原子压得如此之紧，以至于质子和中子中的基本粒子夸克开始拉扯它们的新邻居，或者(在其他情况下)完全自由飞行。但由于大多数粒子无法穿透这些所谓的“夸克物质”相，研究人员只研究了它们的余波。不过，现在，通过探测碰撞火球本身释放的粒子，HADES的合作已经更直接地了解了夸克物质的种类被认为是填充合并中子星的核心．

他说:“据我所知，在这个地区，没有人触及过这个点。基因范布伦他是纽约相对论重离子对撞机(RHIC)的物理学家。RHIC探测一种名为夸克胶子等离子体的高能夸克物质。“这是非常令人兴奋的。”

自20世纪70年代以来，物理学家或多或少已经了解了强核力如何将夸克结合在一起，形成复合粒子，如质子和中子(每一个都是夸克的三重态)。但是，被称为量子色动力学(QCD)的强作用力理论是如此复杂，以至于没有人能够准确预测物质在高温和高密度下的行为。理论家们已经发展了一些近似方案，这些方案在某些情况下是有效的，但巨大的不确定性使其难以推广。像HADES这样的实验旨在手工填补理论留下的空白。

通过间接探测夸克物质的方法，研究人员等待火球冷却，其能量转化为粒子的mélange，这一点被称为“冻结”。然后，他们根据每种粒子类型的相对数量推断出早期的温度。但是在冰冻状态下产生的粒子并不能告诉我们火球的起源，所以HADES的合作利用了一种不同的现象:几乎在夸克物质形成时，它就开始制造称为介子的短命复合粒子，每个介子都由一个夸克和一个反夸克组成。介子立即转化为稍纵即逝的“虚”光子，每一个都分裂成一个电子和它的反物质孪生——正电子。这些粒子携带着有关物质早期时刻的信息，一直传送到HADES探测器。

“没有其他的观测物能真正带来如此丰富的信息，”他说Tetyana Galatyuk他是HADES合作组织的200名成员之一。

实验中,报道在本周自然物理在类似中子星内部碰撞的条件下，大多数粒子是物质(而不是反物质)，这是第一个测量夸克物质温度的方法。QCD近似方案在反物质和物质不以大致相等的数量存在的环境中会出现问题，所以这个区域仍然是理论中的一个空白区域。

当中子星——死亡恒星的高密度核心——螺旋碰撞，它们会震动时空结构，引发名为“千诺瓦斯”的爆炸。为了产生类似的条件，研究小组将以接近光速运动的金原子撞击到一个金靶上，产生了数百个质子和中子，密度如此之大，以至于该理论无法最终预测将会发生什么。爆炸在一瞬间结束，电子-正电子对在坠毁地点周围的探测器中堆积起来。

火球内部的质子和中子达到了类似于把纽约市塞进方糖的密度。

当研究人员绘制出这些对的能量时(小心地剔除已知来自介子以外的粒子对)，他们发现能量形成了指数下降曲线。如果电子和正电子来自具有特征能量或质量的持久粒子，曲线上就会有一个凸起。它光滑的形状清楚地表明，这种物质已呈现出一种奇异的形式。

曲线的斜率显示火球的温度是太阳中心的数十万倍，研究小组计算出它的质子和中子密度相当于把纽约市塞进方糖的效果。加拉提克说，在这种密度下，质子和中子基本上是重叠的。它们不会像夸克-胶子等离子体(夸克物质的一个阶段，被认为在最初的微秒内就充满了宇宙)那样分裂成自由的夸克，而是开始聚集，表现得更像6或9个夸克组成的夸克团，而不是三胞胎。

通过确认这种温度和密度与物质的奇异状态相对应，HADES的结果应该有助于理论家校准他们的近似QCD计算，并扩大了近似方案可以应用的情况范围。在像RHIC这样的粒子加速器上的碰撞会产生等量的物质和反物质，研究人员已经用这个事实来证实QCD对描述这些条件的预测。但是质子和中子的数量越多，这些计算就越不准确。通过观察一个富含质子和中子的火球，HADES实验让理论家们得以一窥当周围主要是这些粒子时，他们应该期待的物理现象。

RHIC的范布伦说，新的测量方法将会引起人们的关注，但也会令人侧目。他说:“我知道和我合作的人会对结果非常感兴趣，也很好奇他们是如何得到这个结果的。”他特别指出，HADES团队计算和去除非来自粒子的有害电子-正电子对的方法需要仔细研究。

如果这个结果成立，它将有助于理论家调整他们对中子星内部形成的夸克物质相的精确计算，中子星的温度比HADES火球更低，中子甚至更多。加拉提克希望，未来对中子星碰撞产生的引力波的观测，以及来自粒子对撞机的额外测量，将有助于扩展和验证这些理论。

查理·伍德是一名记者，报道地球上和地球外的物理科学发展。他的作品已出版科学美国人，基督教科学显示器以及《生活科学》等出版物。此前，他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语，并获得布朗大学物理学学士学位。