中美印科学家首次确定从普通物质到夸克物质的相变温度

2011-6-27 14:02 来源: 中国科学院
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  中国科学技术大学近代物理系2008级博士研究生罗晓峰与美国、印度科学家合作,在世界上首次确定了从强子物质到夸克胶子等离子体的相变温度约为175百万电子伏特(相当于2万亿摄氏度)。6月24日出版的《科学》杂志以“量子色动力学相图的标度”为题,发表了他们的研究成果。罗晓峰为论文第二作者,是5位作者中唯一的学生,论文中的实验数据与统计分析由他完成。

  罗晓峰说,宇宙初生时,亿万物质是一锅由自由的夸克和胶子组成的浓稠的“汤”,俗称“夸克汤”,即夸克胶子等离子体。寻找夸克胶子等离子体存在的证据并研究其基本性质,对研究早期宇宙具有重要意义。

  在通常情况下,夸克和胶子被强相互作用力禁闭在强子中。强子是由夸克组成的粒子,包括重子(含三个夸克,如质子和中子)和介子(含一个夸克和一个反夸克)。通过对普通原子核“加热”,有可能使强子“融化”从而形成由自由夸克和胶子组成的夸克胶子等离子体。2000年以来,科学家们利用美国布鲁克海汶国家实验室中的相对论重离子对撞机(RHIC)进行实验研究,发现了一些夸克胶子等离子体形成的证据。但是从强子物质到夸克胶子等离子体的相变温度尚不清楚。

  日前,RHIC对撞机将两束金原子核加速到接近光速,使它们发生碰撞,形成了高能量密度和高温的夸克胶子等离子体,冷却后产生了大量粒子。中美印科学家组成的一个合作小组,分析研究了对撞机上STAR探测器采集到的大量实验数据,在世界上首次把测量到的净质子数(质子数减去反质子数)分布的高阶涨落与格点量子色动力学的计算结果进行比较,从实验上直接确定了重子数密度为零情况下,从强子物质到夸克胶子等离子体的相变温度。

  该相变温度是强相互作用物质相图的一个基本标度(类比于标准大气压下,100摄氏度是水的相图一个基本标度),对研究强相互作用物质的整体性质以及相变结构有着重大的科学意义。STAR国际合作组发言人许怒研究员说,他们所采用的研究方法为定量研究重离子碰撞中产生的高温高密物质性质开辟了新方向,也为量子色动力学理论在大尺度和低动量传递区域(即非微扰区域)的检验提供了一种新途径。

  罗晓峰2006年在中国科大本科毕业后,作为硕博连读生保送到本校近代物理系高能物理组,师从李澄教授攻读博士学位,主要从事重离子碰撞物理及状态方程研究,并于2009年2月至2011年4月在美国劳伦斯伯克利国家实验室作为联合培养生,在研究员汉斯.盖尔.瑞特和许怒(中科大77级校友)指导下完成了上述研究。罗晓峰在攻读博士学位期间,在Phys. Rev. Lett., Phys. Lett. B, Phys. Rev. C,J. Phys. G等学术杂志上发表多篇相关学术论文。

  另外,中国科大近代物理系高能物理组为STAR实验研制的高时间分辨飞行时间(TOF)子探测器,大大提高了STAR探测器的粒子鉴别能力,在国际上赢得了较高的声誉。