科学家创造出迄今温度最高密度最大核材料

2010-12-08 15:47 来源: 新浪
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  北京时间12月7日消息,欧洲大型强子对撞机(LHC)项目科学家通过使铅原子核迎头对撞,成功在实验室中创造出迄今温度最高、密度最大的核材料

  工业炉窑的最高温度达一千度,不过,与粒子在接近光速的速度时相互撞击产生的温度相比,简直不值一提。12月2日,欧洲核子研究中心(CERN)实验室的科学家公布了大型强子对撞机实验的第一批结果。在这次实验中,铅原子核在17英里(约合27公里)长的环形隧道运行,接着迎面相撞,在数万亿度的高温条件下瞬间生成物质微粒。

  虽然铅原子核对撞产生的迷你火球稍纵即逝,但安放在附近的大型探测器仍能快速做出反应,分析向外流动的无数残骸粒子。法国巴黎综合理工学院的波尔克·威斯洛奇(Bolek Wyslouch)在欧洲核子研究中心的会议上发言时说:“这是人类迄今在实验室中创造的温度最高的核物质。”威斯洛奇是紧凑渺子线圈(CMS)任务小组的代表,该任务团队利用大型强子对撞机的一台巨型探测器去观察铅原子核相撞。

  欧洲核子研究中心第二台大型探测器ALICE任务团队代表尤根·舒克拉夫特(Juergen Schukraft)在这次讨论会上也表示:“我喜欢称之为‘迷你大爆炸’。”言下之意,大型强子对撞机的重离子高能对撞仅仅是迷你版本的宇宙大爆炸。宇宙便是诞生于发生在大约140亿年前的大爆炸。实际上,在能量密度和温度方面,大型强子对撞机实验产生的迷你火球的状况均类似于早期宇宙在大爆炸后瞬间的状况。

夸克—胶子等离子体

  在此之前,还从未有这么多的能量——这次实验是数百万亿电子伏特(简称TeV)——被故意存储于仅相当于几个质子大小的空间内。质子是每个原子核的基本组成部分,大小仅是原子本身的万分之一左右。加速器研究项目的科学家往往将电子伏特作为能量单位,因为这是电力加速生成的电子所获得的精确能量。

  当两个含有数百个质子和中子的铅原子核几乎迎头相撞,而且每个质子和中子的能量都达到1.4电子伏特时,那会发生什么事情?据物理学家介绍,当它们相撞和相互作用时,质子与中子会融化变成称为夸克和胶子的更为基本的组成部分。结果,就形成了由数百个相互间强烈作用的粒子构成的炽热液体——物理学家称之为“夸克—胶子等离子体”。

  今年初,美国布鲁克海文国家实验室相对论性重离子对撞机(RHIC)项目科学家公布了这台对撞机令金原子核撞击生成夸克—胶子等离子体的数据。据他们介绍,夸克—胶子等离子体的温度高达4万亿度,是有史以来在实验室中获得的最高温度。大型强子对撞机项目科学家尚未直接测量最新实验生成的夸克—胶子等离子体的温度。

动量平衡或被打破

  舒克拉夫特说,由于大型强子对撞机对撞实验的能量密度大概是相对论性重离子对撞机实验的三倍,生成的夸克—胶子等离子体温度自然也会更高。接下来几周,科学家将在多份科学期刊上详细描述大型强子对撞机重离子对撞实验结果。负责操作大型强子对撞机第三台探测器ATLAS的科学家报告称他们观测到对撞实验出现了巨大喷流。

  一束喷流是强大的圆锥形能量,在对撞不久后以飞行粒子的形式从火球中出现。科学家认为,如果强大喷流从一侧喷射而出,另一侧应该也有互补喷流以达到动量平衡。然而,在许多对撞事件中,科学家仅观测到一束喷流。在即将刊登于《物理评论快报》杂志的论文中,ATLAS项目科学家会详细描述铅原子核对撞实验中产生的喷流之间动量不平衡的首个例证。

  另一束消失不见的喷流究竟到哪里去了?ATLAS项目小组代表布莱恩·科尔在欧洲核子研究中心会议上发言时表示,夸克—胶子等离子体本身或许在向外运行时吸收了部分或全部喷流。这一过程并不一定要达到均衡。科尔在谈到两束铅离子如何迎头撞击时说:“两束喷流越迎面撞击,就越不对称。”

ATLAS项目小组另一位科学家彼得·斯坦伯格(Peter Steinberg)说,科学家原本估计到部分喷流能量可能会被吸收,但对某些情况下喷流似乎完全被吸收的情况仍感到十分吃惊。科学家希望,可以利用两束喷流外形不对称来理解在实验室中创造的最稠密物质的前所未见的特性。