明确迹象表明QGP生产在低能量时关闭

物理学家报告了新的证据，表明在相对论重离子对撞机(RHIC)——能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的原子粉碎机——金核碰撞中产生的奇异物质状态 可以是通过降低碰撞能量“关闭”。“关闭”信号在描述这些碰撞中产生的质子分布的“高阶”特征的数据中表现为符号变化——从负变正。

该发现刚刚 由 RHIC 的 STAR Collaboration 在 《物理评论快报》上发表，将帮助物理学家绘制出被称为夸克-胶子等离子体 (QGP) 的奇异物质可以存在的温度和密度条件，并确定其关键特征核物质的阶段。

“释放”夸克和胶子

生成和研究 QGP 一直是 RHIC 研究的中心目标。自该对撞机于 2000 年开始运行以来，广泛的测量表明，原子核最活跃的碰撞——在 2000 亿电子伏特 (GeV)——“熔化”质子和中子的边界以释放，短暂的瞬间， 构成普通核粒子的夸克和胶子。各种测量表明 QGP 存在低至 19.6 GeV。新的分析使用了 RHIC 的 STAR 探测器在 RHIC 光束能量扫描第一阶段收集的数据，系统地寻找停止产生夸克和胶子的这种热化状态的能量。

“我们分析了 10 个碰撞能量——从 200 GeV 的质心能量，这是 RHIC 两根金光束之间的最高碰撞能量，低至 3 GeV，其中一根金光束与静止的金目标碰撞，”Ashish Pandav 说，印度国家科学教育与研究学院 (NISER) 的学生，现驻扎在 DOE 的劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL)。“这些数据为我们提供了迄今为止最广泛的核相图——核物质如何随温度和密度变化的图。”

为了确定是否在每次碰撞能量下都产生了 QGP，科学家们观察了每次碰撞事件中产生的质子分布。

系统分析

NISER 的物理学教授 Bedangadas Mohanty 说：“我们逐个事件地测量了质子数量减去产生的反质子数量，以及净质子产生的分布。” Mohanty 和 STAR 团队分析了有关分布的各种特征的数据，包括平均值、方差、数据的偏斜程度等等，直到所谓的 5 阶和6 阶特征 。然后，他们将观察结果与使用量子色动力学 (QCD) 方程计算的预测进行了比较，量子色动力学是描述夸克和胶子相互作用的理论，在离散时空晶格上进行模拟。

“这些 QCD 的数值模拟内置了热化夸克-胶子等离子体的形成，因此如果数据与预测相符，那就是 QGP 存在的证据，”Mohanty 说。

分层排序

QCD 计算预测了净质子分布特征的层次排序——并且这些特征之间的某些关系应该都具有负值。STAR 数据表明，这些热力学模式通常会持续存在，但碰撞能量最低。

“我们知道在 200 GeV 时 RHIC 碰撞会产生 QGP，但下一个能量，62.4 GeV，54.4 GeV，39、27、19.6 呢?” LBNL 物理学家、STAR 前发言人努旭说。“在所有这些能量中，我们发现了预测的等级和负值——这意味着这些能量的数据都与热化 QGP 一致。”

在 19.6 GeV 以下，数据继续与预测相符，尽管表示这些测量不确定性范围的误差条很大。

“对于这些能源，我们需要更多的数据，”徐说。

但在最低能量 3 GeV，科学家们看到了一个巨大的转变。所分析特征之间的等级顺序发生了翻转——关键关系的符号也发生了翻转，从负面变为正面。

“这种符号变化是一个强有力的迹象，得到第一性原理计算的支持，表明在 RHIC 的最低碰撞能量下，夸克-胶子等离子体的形成被关闭，”Xu 说。

数学中的确定性

科学家们的确定性是由于他们使用的比较来自 QGP 的纯数学描述，而不是基于夸克-胶子相互作用近似值的模型。他们将这种“第一性原理”方法比作求解最简单的经典物理学方程式——如牛顿定律(力 = 质量 x 加速度)或理解速度对你能走多远的影响(速率 x 时间 = 距离)。

“在这种情况下，它正在解决夸克和胶子的相互作用，使用 QCD，它有更复杂的方程，”Mohanty 说。

这项工作需要功能强大的计算机，包括 布鲁克海文实验室的 RHIC 和 ATLAS 计算设施(RACF)、 LBNL 的 国家能源研究科学计算中心(NERSC) 和开放科学网格 联盟。

“这些计算资源和晶格 QCD——一种用于求解考虑 4D 时空晶格上夸克-胶子相互作用的方程的方法——使我们能够对守恒电荷分布的高阶特征行为进行精确预测的能力取得了巨大进步。 QCD，”前布鲁克海文实验室理论家、现就职于德国比勒费尔德大学的 Frithjof Karsch 说，他与人合着了一篇 关于 QCD 预测的论文。“看到 RHIC 的实验数据证实了这些来自第一性原理计算的预测，真是令人兴奋。”

科学家们希望通过分析来自 RHIC 的束能扫描 II (BES II) 的数据，进一步加强他们对他们的发现和寻找 QGP 转折点的信心。大量数据将缩小所有结果的不确定性，尤其是对于低于 19.6 GeV 的能量。

“在热化系统中，我们看到从 200 GeV 到 62 GeV 一直到 19.6 的平滑模式。然后我们看到 20 到 3 GeV 之间的一些‘颠簸’，”Xu 说。

早期 对净质子产生波动的分析 表明，颠簸可能表明温度和压力的特定组合，其中 QGP 由普通核物质形成的方式发生了变化。这些结果和来自 BES II 的附加数据将有助于缩小对所谓临界点的搜索范围。

“这都是相关的，”徐说。

这项研究得到了能源部科学办公室、国家科学基金会和论文中列出的众多国际资助机构的支持。RHIC 运营由能源部科学办公室资助。RHIC 和 NERSC 是 DOE 科学办公室用户设施。