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美拟对撞金原子 再现宇宙大爆炸后原始"粒子汤"

http://www.kexue.com 2014-02-08 09:48:34 中国科技网  发表评论


用4万亿℃超高温制造夸克-胶子等离子体

  美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室的科学家拟让金原子核以接近光速发生对撞,制造出模拟宇宙大爆炸后就产生的夸克-胶子等离子体“粒子汤”,从而更好地厘清宇宙的演化历程。

  目前,这项实验正在准备当中,科学家刚刚开始将液体氦注入1740个超导磁铁内,以将磁铁冷却到接近绝对零度(约为零下273摄氏度)。在此温度下,磁铁的“一举一动”不会造成任何能量损失。接着,科学家们会引导带正电荷的金离子束以接近光速的速度相互对撞,制造出高达4万亿摄氏度(为太阳炽热内核温度的25万倍)的超高温。

  这一高温环境会让金原子内的质子和中子“融化”,制造出质子和中子的组成部分——夸克和胶子(无质量的胶子让夸克结合在一起)组成的等离子体,从而模拟出了宇宙大爆炸之后就出现的最原始的粒子汤。科学家们希望通过对这种等离子体的研究,厘清早期宇宙如何演化到现有状态。

  这项实验将在长达3.9公里的地下原子加速器-相对论重离子对撞机(RHIC)内进行,历时约15周,金原子核内的质子和中子在RHIC内相互对撞,对撞能级为1000亿电子伏特。

  科学家表示,尽管从2000年起,就有科学家一直在进行类似的实验,但最新实验的对撞数量为以前所有实验的总和,将让以前的尝试相形见绌。该实验室对撞器-加速器部门的联合负责人沃尔夫拉姆-费舍尔在一份声明中表示:“从物理学角度而言,新实验为以前所有实验的集大成者。”

  性能的提升主要归功于以下几方面:首先,对撞速度更快,因为金离子束的温度更低而且被聚集得更好。在名为“随即冷却”的聚集技术内,传感器会监测微小亚原子粒子的随机运动,再使用电场轻推这些原子,让其重新呈一条直线。其次,由超导材料制成的无线射频光腔缩小了离子束发生对撞的位置。超导材料的使用使光腔能耐受更高的电压,从而制造出更强的电场,将粒子加速到更高能级。费舍尔表示:“新型无线射频系统提供了更好的聚集能力。”

  再次,实验中用到的改良版硅探测器能更好地探测到稀有粒子(比如罕见的“粲夸克”粒子等)。尽管这些粒子的寿命非常短暂,行进距离只有头发丝那么宽,之后就发生衰变,但新探测器能通过监测它们变成的粒子,在粒子烟消云散之前将其捕获。该国家实验室的物理学家杰米-邓禄普指出,这种“硅传感器纤薄的‘身形’和高分辨率将使我们能获悉由重质量夸克组成的粒子如何从RHIC的夸克-胶子等离子体中流泻出来。”

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