夸克膠子等離子體與重離子對撞

來自專欄科學小屋70 人贊了文章

0、前言

物理中對於物質的研究，總體上可以分為兩類：物質的結構和物質的狀態。前者是研究物質結構和組成，比如原子是由原子核和電子組成，原子核由質子和中子組成，研究對象主要是單粒子體系；後者是研究大量粒子聚集所形成的物質的狀態，比如宏觀中水的液態和固態。研究對象主要是多粒子系統。

凝聚態物理是典型的多粒子體系物理，其研究對象都是由原子或分子構成的物質，因此對此類物質狀態的研究本質上屬於對量子電動力學（QED）可能形成的相的探研究。比如說，水存液態和固態等，這本質上是因為量子電動力學允許這樣的狀態存在。在原子分子尺度及其之上的世界是由量子電動力學主導，而在原子核及其之下是由量子色動力學(QCD)主導。一個自然的想法就是，由QCD主導的物質可能形成哪些狀態？該怎麼去研究QCD物質的狀態呢？

1、夸克膠子等離子體

不同於QED，QCD在低能下有兩個非常特殊的性質：

• 夸克禁閉（confinment），又叫色禁閉。在QCD中，夸克和膠子是基本的自由度，但是在低能下，實驗中能觀測到的都是夸克和膠子構成的不帶色荷（類似於電荷的一種守恆量）的強子（包括重子和介子，質子和中子就屬於重子）。由於QCD在低能標區耦合常數不是小量，因此在QED以及QCD高能標區域使用的微擾法此時就無法使用，雖然有格點QCD可以進行暴力計算，但是到目前為止夸克禁閉還無法通過QCD直接推導出來。夸克禁閉本質上是來源於QCD的非微擾性質。
• 手征對稱性自發破缺。u夸克和d夸克的質量是非常小的，分別是 和 ，但是由兩個u夸克和一個d夸克構成的質子卻有 左右。另外，通過分析介子譜可以發現， 介子的質量遠遠小於其它介子。對這個現象做出的合理解釋就是QCD中的手征對稱性自發破缺，其結果就是夸克獲得了一個額外的動力學質量， ，再根據Goldstone定理，每一種連續對稱性的破缺都會產生零質量的玻色子，此處即為 介子（ 介子實際具有一個小的質量 ，這是因為夸克的質量並不嚴格為零。計算表明，如果夸克的質量嚴格為零，則 介子的質量也會嚴格為零 ）。

以上是QCD在低能下非常重要的兩個性質，但是格點QCD和相關模型計算顯示，當提高系統溫度或者增加密度，QCD物質會發生兩種相變：手征相變和退禁閉相變。前者對應著手征對稱性恢復，即動力學質量變為零，夸克又變為接近零質量的粒子；後者對應著夸克禁閉消失，也就是夸克（在一定程度上）可以自由運動，而不僅僅被限制在核子內部運動。綜合這兩種相變，人們相信，在高溫高密的區域QCD物質會處於一種以夸克-膠子為基本自由度的狀態，我們把這種狀態叫做夸克膠子等離子體。

通過QCD相圖可以看到，在低溫低密時，強子氣是QCD物質存在的主要形式。當提高溫度時，會形成夸克膠子等離子體。另外，在低溫高密時（QCD相圖右下方棕色區域），QCD物質還會形成色超導態（類比於電超導）。當然，由於在我們感興趣的區域到目前為止還無法通過QCD直接計算，實際上相圖中的大部分區域都是通過模型計算以及與QED的類比和合理猜想得到的，因此QCD物質是否真的能形成這樣的狀態還得通過實驗進行驗證。

2、相對論性重離子對撞

相對於核子（質子和中子）的能量和密度，我們生活中物質（即QED物質）所具有的溫度和密度是非常低的，為了研究上一節中QCD相圖是否合理，就需要在高溫或者高密的物質中進行實驗。那麼自然界中存在著高溫或者高密或者高溫高密的QCD物質嗎？答案是有！

• 宇宙大爆炸初期。通過對宇宙大爆炸模型和粒子物理標準模型的研究，大家相信，在宇宙大爆炸初期，物質就是處在高溫高密的環境中。當然在初期正反物質數量應該是相等的，因此對應著QCD相圖中零化學式高溫的區域（即縱軸）。參考下圖。
• 中子星。中子星內部壓力密度非常高，普通的物質無法穩定存在，通過與QCD相圖對比，此處很有可能處於QCD色超導態。

對於宇宙大爆炸初期的狀態現在只能通過各種遺留信號分析，比如微波背景輻射，

而對中子星內部的狀態的研究同樣非常困難，雖然可以通過中子星合併等事件分析內部狀態，但是這種事件並不常有。那麼有沒有一種辦法可以能自由控制系統狀態呢？答案也是有的，那就是重離子對撞實驗！

重離子對撞最早是由李政道先生在1970年提出的，通過加速重原子核——比如金核——到接近光速進行對撞，此時的原子核的運動是相對論性的，能量非常高，以此從真空中激發出大量的粒子。通過控制對撞的能量可以調節形成的QCD物質的溫度和密度。李政道先生還特地邀請了畫家李可染先生於1986年畫了一幅畫作：

這幅畫後來被做成雕像，目前就坐落在清華科技園

3、重離子對撞運行試驗

目前，世界各地有不同的重離子對撞實驗組同時運行試驗：

• 歐洲核子中心（CERN）的LHC。很多人都知道LHC發現 Higgs粒子，但是卻很少有人知道LHC上也同時運行著重離子對撞實驗。LHC上一共有四個對撞點，其中有兩個是做重離子對撞相關的探測和研究
• 美國布魯克海文 國家實驗室RHIC(相對論性重離子對撞，Relativity Heavy Ion Collidor)實驗，其中的STAR和PHENIX兩個實驗組均做與重離子對撞相關的研究
• 德國亥姆霍茲重離子研究中心
• 俄羅斯杜布納聯合核子中心
• 中國科學院近代物理研究所，位於蘭州
• ......

在重離子對撞中，核子碰撞後系統的演化如下圖所示：

原子核形狀近似為球體，原子核被加速到接近光速時，其在運動方向由於洛倫茲收縮變的非常窄，對撞時系統的形狀為橢球狀。由於對撞，系統上升到非常高的溫度，有可能形成夸克膠子等離子體，系統內部的壓強非常大，因此迅速膨脹冷卻。由於溫度降低，系統中的夸克膠子又重新結合形成強子，最終到達探測器。通過對最後強子的分析，就有可能分析出中間的狀態。關於RHIC中的實驗下面有一段視頻：

4、總結與展望

通過上述的分析，看似我們對QCD相圖有比較清晰的認識，但是實際上，除了格點QCD能直接計算的零化學式區域外，其它區域的狀態我們並沒有直接完整的認識。但是，越是對QCD相圖確定的區域少，我們能做的研究工作就越多,QCD物質的相結構比QED物質相結構更加豐富，物理內涵也更加多樣。未來的研究也更令人著迷。

最後，用李政道先生在1996RHIC暑期學校中做的一首詩作為結尾：

科學小屋

不定期發布帶公式的科普文章

歡迎關注，歡迎投稿