用大型强子对撞机能否找到爱因斯坦预言的物质状态

2019年09月26日 08:42 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间9月26日消息,据国外媒体报道,爱因斯坦的狭义相对论曾预测过一种名叫“色玻璃凝聚态”的神秘物质形态。而在长达十年的寻找之后,在大型强子对撞机工作的科学家们终于看到了希望的曙光。

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大型强子对撞机中的粒子碰撞

大型强子对撞机是全球最大的粒子对撞机,是一个总长27公里的环状结构,位于接近法国与瑞士边境的地下深处。不过,研究人员并不是通过让以接近光速运行的粒子相撞来寻找这种神秘物质的。相反,他们的关注点在于当粒子并未相撞、而是近距离擦肩而过时,究竟发生了什么。

在标准物理学模型中,宇宙中98%的物质都是由一种名叫“胶子”的基本粒子维系在一起的。正是胶子将夸克联结在一起、构成了质子和中子。而如果将质子加速到接近光速,就会发生一种奇特的现象:质子内部的胶子浓度会急剧升高。在这种情况下,胶子会分裂成一对能量更低的胶子,后者再进一步分裂成另一对胶子,并不断持续下去。最终,质子内部的胶子分裂会达到一个上限,胶子数量也就不再继续增加。此时这种状态就叫“色玻璃凝聚态”:一种可能存在于超高能质子和重原子核中的假想物质状态。

科学家指出,这种凝聚态能够解释物理学的许多未解之谜,比如粒子是如何在高能撞击中形成的、以及物质在粒子内部的分布情况等等。但数十年以来,科学家始终没能证实它的存在。一直到2000年,位于纽约的布鲁克海文相对论重离子对撞机才首次发现了色玻璃凝聚态可能存在的迹象。

布鲁克海文实验室的研究人员让剔除了电子的金原子相撞后,在涌出的大量粒子中发现了一种奇怪的信号,显示这些原子内部的质子中已经挤满了胶子、正开始形成色玻璃凝聚态。在此之后,科学家又在大型强子对撞机中用重离子开展了进一步碰撞实验,也取得了类似的结果。然而,如果让质子在相对论速度下相撞,我们只能短短瞥见一眼质子的内部构造,因为这些亚原子粒子转瞬间就会发生剧烈爆炸、灰飞烟灭。因此,要想真正探测质子的内部结果,我们必须采用一种更“温和”的手段。

当质子等带电粒子被加速到高速时,便会产生强大的电磁场,并以光子的形式释放出能量。这种能量泄漏一度被认为是粒子加速器的副作用,没有得到人们的重视。不过,物理学家如今已经找到了一些新方法,使我们能够充分利用这些高能光子的优势。当质子在加速器中迅速擦肩而过时,释放出的“光子风暴”可以导致质子与光子相撞,而这种所谓的“超外围碰撞”正是我们弄清高能粒子内部运作情况的关键。科学家解释道,高能光波击中质子时,可以在不破坏质子的情况下产生各类粒子。而这些粒子被探测器记录下来之后,科学家便能够以从未有过的精度、重现质子的内部结构。

一支由多国科学家组成的研究团队正在利用该方法寻找神秘的色玻璃凝聚态,并于今年8月在期刊《欧洲物理学杂志C辑》上发表了初期研究结果。该团队首次通过间接方式、测量出了四个不同能级上的胶子密度,而在最高一级能级上,他们发现了色玻璃凝聚态正在开始形成的迹象。

研究人员表示,这些实验结果非常令人激动,进一步揭示了质子内部的胶子变化规律,但仍有许多理论问题尚待解答。就目前而言,色玻璃凝聚态的存在仍然是个谜团,还没有被完全揭开。(叶子)

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