- 美國首個重離子對撞機探測到異常的粒子動量波動下降。
- 此次發現可能為核物質的相變化提供新見解。
- 研究團隊分析了低能量金-金碰撞的結果。
- 臨界點的存在仍需進一步證實，尚有其他解釋可能性。
美國研究人員利用全球首個重離子對撞機，將金原子核以接近光速相撞，以探測實驗室中創造的最密集核物質。研究團隊在美國能源部布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）使用了 STAR 探測器。他們發現了粒子動量波動的異常下降，該下降出現在將核物質壓縮至類似中子星內部極端密度的低能量碰撞中。這一偏離預期平滑趨勢的現象，具有約 5 sigma 的統計顯著性。
研究背景與目的
來自休斯頓大學的 STAR 合作成員、此次新分析的負責人 Rutik Manikandhan 表示：「我們試圖研究的物質類型是宇宙大爆炸的重現或縮影。」此次發現可能為核物質的相變化及尋找臨界點提供新見解。
RHIC 於 2000 年至 2026 年間在布魯克海文運行，旨在通過以接近光速碰撞重原子核（如金）來研究異常形式的核物質。該設施於 2026 年 2 月 6 日完成最後一次操作後關閉。在其最高碰撞能量下，該設備能有效地融化質子和中子的邊界，並釋放出其基本組成的夸克和膠子，從而創造出夸克-膠子等離子體，這是一種被認為在宇宙大爆炸後不久充滿宇宙的特殊物質狀態。
相比之下，低能量碰撞並不會完全分解質子和中子，而是將核物質壓縮至類似中子星內部的巨大密度。此次研究中，團隊分析了 3 至 7.7 億電子伏特（GeV）能量下的金-金碰撞結果。為了更好地理解，他們將結果與先前發表的 STAR 測量結果進行了比較，這些測量結果延伸至 200 GeV。STAR 科學家測量了每次碰撞中粒子動量的變化程度，因為來自較熱物質的粒子通常具有更高的動量，這些變化顯示了火球在碰撞間的溫度變化。
復旦大學的初級教師、STAR 分析共同負責人 Chunjian Zhang 指出：「這一動量相關測量為我們提供了觀察溫度波動的實驗窗口。我們可以用它作為尋找溫度波動的代理。」隨著碰撞能量從 3 GeV 增加，動量波動急劇下降，並在約 5.2 至 7.7 GeV 時達到最低點，然後在更高能量下再次上升。這一下降可能表明溫度波動的抑制，這是理論預測的臨界點附近現象。在這一點附近，物質可以吸收能量而不顯著改變其溫度。
臨界點的意義
臨界點將標誌著核物質在不同相之間運動方式的變化。在 RHIC 的最高能量下，這一轉變是逐漸發生的，而在更高密度下，科學家們預期會出現突然的相變化。準確確定這一行為改變的位置，將幫助物理學家定位臨界點。
儘管這一下降與 STAR 在低能量下觀察到的其他可能的臨界點行為跡象一致，但團隊強調，這並不證明臨界點的存在。Manikandhan 在新聞稿中表示：「沒有單一的可觀察現象能解決尋找臨界點的問題，對於這一新的 STAR 結果的其他解釋仍然開放。」研究人員還將他們的測量結果與不包括臨界點行為的多相傳輸模型的預測進行了比較，該模型未能重現觀察到的下降。
該研究已發表於《物理評論快報》期刊。
重離子對撞機研究的前景與挑戰
重離子對撞機的研究不僅有助於理解宇宙大爆炸後的核物質狀態，還可能揭示核物質的相變化特性。此次觀察到的粒子動量波動異常下降，可能預示著接近臨界點的現象，這對於物理學家定位臨界點至關重要。然而，研究團隊強調，臨界點的存在尚未得到證實，未來仍需進一步實驗來驗證這一發現的意義及其背後的物理機制。