中外科學家烹制宇宙大爆炸“夸克湯”初次確定從普通物質到夸克物質的相變溫度

中國科學技術大學2008級博士研究生羅曉峰與美國布魯克海汶國家實驗室和印度塔塔基礎研究院的科學家合作，在世界上首次確定了從強子物質（即普通物質）到夸克—膠子等離子體的相變（即狀態(tài)轉變）溫度約為175百萬電子伏特，相當于2萬億攝氏度。今天出版的《科學》雜志以《量子色動力學相圖的標度》為題，發(fā)表了他們的研究成果。

專家形象地比喻，宇宙初生時，億萬物質是一鍋由自由的夸克和膠子組成的濃稠的“湯”，俗稱“夸克湯”，即夸克—膠子等離子體。隨著宇宙膨脹，夸克—膠子等離子體迅速冷卻，質子、中子及其他正常物質從中“析出”：膠子負責傳遞夸克之間的色作用力，夸克通過交換膠子而結合在一起形成原子核等物質。這就是量子色動力學理論。尋找夸克—膠子等離子體存在的證據并研究其基本性質，對研究早期宇宙具有重要意義。

在通常情況下，夸克和膠子被強相互作用力禁閉在強子中。強子是由夸克組成的粒子，包括重子（含3個夸克，如質子和中子）和介子（含1個夸克和1個反夸克）。按點陣量子色動力學理論預測，物質存在一個“關鍵點”，普通強子物質的狀態(tài)（即“相”）和夸克—膠子等離子體在該點能夠共存并互相轉化。2000年以來，科學家們利用美國布魯克海汶國家實驗室中的相對論重離子對撞機（RHIC）進行實驗研究，發(fā)現了一些夸克—膠子等離子體形成的證據，并試圖尋找這一“關鍵點”。

日前，RHIC對撞機將兩束金原子核加速到接近光速，使它們發(fā)生碰撞，形成了高能量密度和高溫的夸克—膠子等離子體，冷卻后產生了大量粒子。中美印科學家組成的一個合作小組，研究分析了對撞機上STAR探測器采集到的大量實驗數據，在世界上首次把測量到的凈質子數（質子數減去反質子數）分布的特征，與格點量子色動力學的計算結果進行比較，從實驗上直接確定了重子數密度為零的情況下從強子物質到夸克—膠子等離子體的相變溫度。

該相變溫度是強相互作用物質相圖的一個基本標度（類比于標準大氣壓下，100攝氏度是水的相圖一個基本標度），對研究強相互作用物質的整體性質以及相變結構有著重大的科學意義。論文作者之一、布魯克海汶國家實驗室相對論重離子對撞機STAR實驗國際合作組發(fā)言人許怒說，他們所采用的研究方法為定量研究重離子碰撞中產生的高溫高密物質性質開辟了新方向，也為量子色動力學理論在大尺度和低動量傳遞區(qū)域（即非微擾區(qū)域）的檢驗提供了一種新途徑。

《科技日報》