大爆炸疑问:如何映射一种神秘的液体变成了一切物质

大爆炸疑问:如何映射一种神秘的液体变成了一切物质

关于宇宙如何起源的主要理论是大爆炸，它说140亿年前宇宙以奇点的形式存在，一个一维的点，包含大量的基本粒子。极高的热量和能量导致它膨胀，然后膨胀到我们所知道的宇宙中——这种膨胀一直持续到今天。大爆炸的最初结果是一种炽热而充满能量的液体，它只存在了几微秒，大约是100亿华氏度(55亿摄氏度)。这种液体所含的物质不亚于一切物质的基本成分。当宇宙冷却时，粒子衰变或结合产生……好吧,一切。

夸克胶子等离子体(QGP)之所以被称为这种神秘物质，是因为它是由夸克——基本粒子——和胶子组成的，物理学家罗西·j·里德(Rosi J. Reed)将其描述为“夸克用来相互交谈的东西”。它们以接近光速的速度碰撞重离子(如黄金)，创造出比太阳内部温度高10万倍的环境，从而重新创造了环境。这次碰撞模拟了大爆炸后夸克胶子等离子体变成物质的过程，但却是相反的:热量融化了离子的质子和中子，释放出隐藏在其中的夸克和胶子。

目前世界上只有两种可运行的加速器能够碰撞重离子，美国也只有一种:布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)。Reed是STAR合作项目的一部分，这是一个由科学家和工程师组成的国际团队，他们在RHIC (STAR)的螺线管跟踪器上进行实验。恒星探测器质量很大，实际上是由许多探测器组成的。它和房子一样大，重达1200吨。STAR的专长是追踪每一次离子碰撞在RHIC产生的数千个粒子，以寻找夸克胶子等离子体的特征。里德说:“在进行实验时，我们可以改变两个‘旋钮’:一种是金对金，另一种是质子对质子，以及碰撞能量。”“我们可以用不同的方式加速离子，以达到不同的能量质量比。”

利用不同的恒星探测器，研究小组以不同的碰撞能量碰撞离子。我们的目标是绘制夸克胶子等离子体的相图，即在不同的压力和温度条件下，材料发生变化时的相变点。绘制夸克-胶子等离子体的相图还可以绘制出核力，也就是我们所知的量子色动力学(QCD)，它是将带正电荷的质子聚集在一起的力。里德解释说:“离子的中心有一堆质子和中子。”“它们是带正电的，应该会相互排斥，但有一种‘强大的力量’将它们维系在一起——强大到足以克服它们分裂的倾向。”里德说，理解夸克胶子等离子体的相图，以及等离子体和正常物质之间的相变的位置和存在，是至关重要的。里德说:“这是一个独特的机会，让我们了解自然界的四种基本力量之一是如何在温度和能量密度类似于大爆炸后几微秒的情况下运作的。”

STAR团队使用光束能量扫描(BES)进行相变映射。在项目的第一部分，即所谓的bis - i中，团队收集了具有“有趣结果”的可观察证据。Reed于2018年10月在夏威夷举行的APS核物理学部和日本物理学会第五次联席会议上发表了这一研究成果，会议的主题是“在RHIC用能量和物种扫描测试夸克胶子等离子体极限”。

然而，有限的统计数据、接受度和较差的事件平面分辨率不允许对发现作出确定的结论。项目的第二阶段，即所谓的bs - ii，正在向前推进，包括Reed与STAR团队成员正在进行的改进:事件计划检测器的升级。合作者包括布鲁克海文和俄亥俄州立大学的科学家。STAR团队计划在2019年和2020年继续进行实验并收集数据，使用新的事件计划检测器。据Reed说，新的探测器被设计用来精确定位碰撞发生的位置，并将有助于描述碰撞的特征，特别是碰撞的“正面”程度。“这也将有助于提高所有其他探测器的测量能力，”里德说。