在对撞机实验中重现的早期宇宙的极端条件
一组研究人员在了解宇宙中一些最重的粒子在极端条件下的行为方面取得了进展,这些条件类似于Big Bang.
发表在物理报告对塑造我们宇宙的基本力量提供了新的见解,并继续指导其今天的演变。
这项研究由来自巴塞罗那大学、印度理工学院和德克萨斯 A&M 大学的国际团队进行,重点关注含有重夸克的粒子,这些夸克是现存一些最大质量粒子的组成部分。
这些粒子被称为魅力和底部强子,为在地球上几乎不可能自然重建的条件下理解物质提供了独特的窗口。
为了研究这些极端条件,科学家们使用大型强子对撞机 (LHC) 和相对论重离子对撞机 (RHIC) 等大质量粒子加速器以接近光速将原子核碰撞在一起。
这些碰撞产生的温度比太阳中心高 1,000 倍以上,短暂地产生了物质状态称为夸克胶子等离子体,是大爆炸后几微秒内存在的基本粒子的“汤”。
当这种极热的等离子体冷却时,它会转化为强子物质,强子物质是一个由质子和中子等熟悉的粒子以及其他称为重子和介子的奇异粒子组成的相。了解这种转变有助于科学家拼凑出物质在早期宇宙中是如何从混沌的基本粒子汤演变成我们今天看到的结构化物质的。
在这些极端环境中,重夸克就像微型传感器。因为它们的质量如此之大,所以它们比较轻的粒子移动得更慢,并且与周围环境的相互作用也不同。这使它们成为探测它们所穿过的热、致密物质特性的理想选择。
把它想象成把一个沉重的球扔进拥挤的游泳池里。即使在最初的飞溅和最大的海浪平息之后,球仍会继续撞击游泳者并在水中移动。同样,在核碰撞中产生的重粒子会继续与周围的其他粒子相互作用,即使在最热和最混乱的阶段过去之后也是如此。
以前的研究主要集中在最初的、极热的夸克-胶子等离子体相上。然而,这项新研究表明,随后的冷却阶段——当系统转化为强子物质时,在决定粒子的行为方式以及科学家在实验中可以观察到的内容方面起着至关重要的作用。
研究人员研究了重强子,特别是 D 和 B 介子(包含魅力夸克和底夸克的粒子)在这个过渡期内如何与较轻的粒子相互作用。
这些相互作用会影响粒子流型和能量损失等可测量量,从而提供有关极端条件下物质基本特性的宝贵数据。
“当系统已经冷却下来时,这个阶段仍然对颗粒如何失去能量并一起流动起着重要作用。忽视这个阶段就意味着错过了拼图的关键部分。来自巴塞罗那大学的 Juan M. Torres-Rincón。
了解热物质中的重粒子行为对于绘制早期宇宙的特性和控制它的基本力量至关重要。这些发现还为未来较低能量的实验奠定了基础,包括计划在 CERN 的超级质子超级同步加速器和即将在德国的 FAIR 设施进行的研究。
这项研究有助于回答有关我们的宇宙如何从最早的时刻演化成我们今天观察到的复杂宇宙的基本问题。
通过在最极端的条件下研究物质,科学家们不断解开我们起源的秘密和塑造现实本身的力量。