美加速器創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下最高溫度紀(jì)錄

一個(gè)國際研究小組利用美國相對論重離子對撞加速器（RHIC）,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下創(chuàng)造出了超出太陽中心溫度25萬倍，約達(dá)4萬億攝氏度的超高溫度。該項(xiàng)研究為模擬宇宙大爆炸后的情形、探索宇宙成因提供了重要線索。
　　科學(xué)家們認(rèn)為，在宇宙大爆炸之后的數(shù)十萬分之一秒內(nèi)，宇宙中充滿了夸克—膠子等離子體物質(zhì)（亦稱夸克湯）。之后宇宙逐漸冷卻，夸克和膠子等逐漸凝縮成為質(zhì)子和中子，直至創(chuàng)造出了現(xiàn)在形成宇宙的物質(zhì)，即原子核、原子以及由原子核與原子積聚起來的恒星行星。通過超級(jí)計(jì)算機(jī)的模擬演算，實(shí)現(xiàn)夸克—膠子等離子體所需要的溫度約為2萬億攝氏度。科學(xué)家推測，可通過人為方法制造出使質(zhì)子和中子熔化形成夸克—膠子等離子體超高溫狀態(tài)。
　　研究小組利用美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的RHIC讓接近光速運(yùn)動(dòng)的金離子進(jìn)行對撞，夸克和膠子形成了高溫、高密度的零黏性“完全液體”，即為夸克—膠子等離子體。通過計(jì)算后，研究人員確認(rèn)撞擊形成的超高溫夸克—膠子等離子體“湯”溫度達(dá)到4萬億攝氏度，這也是到目前為止在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的最高溫度。
　　撞擊初期產(chǎn)生的光粒子，即光子，從高溫物質(zhì)放射出熱量，也稱為熱光子。熱光子通過周圍的高密度物質(zhì)向外部均勻釋放。其產(chǎn)生量和能量分布反映出撞擊初期的溫度和其后的時(shí)間發(fā)展，因此，測定熱光子就能夠直接測定出撞擊后的溫度。但是，金離子對撞每次可產(chǎn)生數(shù)千個(gè)粒子，很多粒子瞬間崩潰成光子，其中噪音光子的產(chǎn)生量約為熱光子產(chǎn)生量的10倍，由于沒有直接區(qū)別噪音光子和熱光子的方法，熱光子隱藏在噪音光子中，使得測定熱光子極為困難。
　　研究小組利用電子和其反粒子正電子的變換，分離出熱光子和噪音光子。通過測定電子—正電子對，并根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)量能量關(guān)系公式E=mc2計(jì)算出光子轉(zhuǎn)換電子—正電子對的比率，研究小組成功測定出熱光子的產(chǎn)生量和能量分布，并將結(jié)果同理論預(yù)測進(jìn)行比較，推斷出撞擊獲得的高溫物質(zhì)溫度約為4萬億攝氏度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過向夸克—膠子等離子體過渡所需的約2萬億攝氏度。
　　該研究成果使RHIC生成夸克—膠子等離子體的研究更加深入，使測定初期溫度、黏性等物質(zhì)基本屬性的結(jié)果更為精密。此項(xiàng)研究不僅有助于進(jìn)一步了解宇宙初生時(shí)期的狀態(tài)，還可解讀基本粒子的強(qiáng)相互作用以及描述這一作用的“量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）”理論。
　　該研究成果發(fā)表在2月15日美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上，并刊載于近期的美國《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》上。