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世界上最小的水滴

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物理学家可能已经创造了在实验室中有史以来最小的液滴。

Vanderbilt物理学家Julia Velkovska及其同事在位于欧洲核与粒子物理研究所(CERN)的世界上最大最强大的粒子对撞机“大型强子对撞机”(Large Hadron Collider)在瑞士。在速度接近光速的铅离子碰撞质子的结果中提取了微小液滴的证据。

根据科学家的计算,这些短寿命的液滴大小是三到五个质子。为了提供规模感,大约是氢原子大小的十万分之一或病毒大小的十亿分之一。

“有了这个发现,我们似乎看到了集体行为的起源,”Vanderbilt物理学教授Velkovska说,他是CMS探测器重离子计划的共同召集人,LHC仪器意外的发现。 “无论我们使用的是什么材料,在我们开始看到集体的,类似流动的行为之前,碰撞必须足够猛烈以产生约50个亚原子粒子。”

这些微小的液滴“流动”的方式类似于夸克 - 胶子等离子体的行为,物质的状态是组成质子和中子的亚原子粒子的混合物,并且仅存在于极端温度和密度下。宇宙学家认为,宇宙大爆炸之后,整个宇宙一度由这种强烈相互作用的灵药组成,当时条件比现在更加炎热和密集。现在宇宙已经花费了数十亿年的时间来扩张和冷却,科学家能够再现这种原始等离子体的唯一方式就是将原子核与巨大的能量一起轰动。

新的观察结果包含在CMS合作提交给期刊 Physical Review D 的论文中,并发布在arXiv预印本服务器上。此外,范德堡大学博士生盛泉寰日前在意大利特伦托欧洲核物理及相关领域理论研究中心举办的研讨会上介绍了新的成果。

自2000年代初以来,科学家一直试图通过使用布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)碰撞金原子核来重建夸克 - 胶子等离子体。这种异乎寻常的物质状态是在核子碰撞并将一部分能量转移到它们之间的空间时产生的。当有足够的能量释放时​​,碰撞粒子中的一些夸克和胶子就会融化在一起形成等离子体。 RHIC科学家曾预计等离子体的行为就像是一种气体,但却惊奇地发现它的行为就像液体一样。

当LHC启动时,科学家们转移到更强大的机器上,他们基本上通过碰撞铅核来复制他们在RHIC得到的结果。

为了检查铅 - 铅结果的有效性,科学家们安排对撞机粉碎质子,并将核子引导到一起。他们没有期望看到等离子的任何证据。因为质子比铅核要轻(它们只有质量的二百分之一),所以普遍认为质子 - 铅碰撞不能释放出足够的能量来产生稀有的物质。

“质子导致的碰撞就像是通过苹果射击子弹,而铅 - 铅碰撞更像是把两个苹果砸在一起:后者释放更多的能量,”Velkovska说。

世界上最小的飞沫

作者:David Salisbury | 5月4日星期四。物理学家可能创造了实验室中有史以来最小的液体滴。

Vanderbilt物理学家Julia Velkovska及其同事在位于欧洲核与粒子物理实验室(CERN)的世界上最大,最强大的粒子对撞机“大型强子对撞机”(Large Hadron Collider)在瑞士。从结果中提取微小液滴的证据 以接近光速的速度撞击质子与铅离子。

根据科学家的计算,这些短寿命的飞沫是三到五个质子的大小。为了提供规模感,大约是氢原子大小的十万分之一或病毒大小的十亿分之一。

“有了这个发现,我们似乎看到了集体行为的起源”,Vanderbilt物理学教授Velkovska说,他是CMS探测器重离子计划的共同召集人,LHC仪器是制造意外的发现。 “无论我们使用什么材料,在我们开始看到集体的,类似流动的行为之前,碰撞必须足够猛烈以产生大约50个亚原子粒子。”

这些微小的液滴“流动”的方式类似于夸克 - 胶子等离子体的行为,物质的状态是组成质子和中子的亚原子粒子的混合物,并且仅存在于极端温度和密度下。宇宙学家认为,宇宙大爆炸之后,整个宇宙一度由这种强烈相互作用的灵药组成,当时条件比现在更加炎热和密集。现在宇宙已经花费了数十亿年的时间来扩张和冷却,科学家能够再现这种原始等离子体的唯一方式就是将原子核与巨大的能量一起轰动。

新观察结果包含在CMS合作提交给期刊 Physical Review D 的论文中,并发布在arXiv预印本服务器上。此外,范德堡大学博士生盛泉寰日前在意大利特伦托欧洲核物理及相关领域理论研究中心举办的研讨会上介绍了新的成果。

自2000年代初以来,科学家一直试图通过在布鲁克海文国家实验室利用相对论重离子对撞机(RHIC)碰撞金原子核来重建夸克 - 胶子等离子体。这种异乎寻常的物质状态是在核子碰撞并将一部分能量转移到它们之间的空间时产生的。当有足够的能量释放时​​,碰撞粒子中的一些夸克和胶子就会融化在一起形成等离子体。 RHIC科学家曾预计等离子体的行为就像是一种气体,但却惊奇地发现它的行为就像液体一样。

当LHC启动时,科学家们转移到更强大的机器上,他们基本上重复了他们在RHIC得到的结果,通过碰撞铅核。

科学家们计划了一个控制运行来检查其铅 - 铅结果的有效性,科学家们安排对撞机粉碎质子并将核子引导到一起。他们没有期望看到等离子的任何证据。因为质子比铅核要轻(它们只有质量的二百分之一),所以普遍认为质子 - 铅碰撞不能释放出足够的能量来产生稀有的物质。

“质子 - 铅碰撞就像是通过苹果射击子弹,铅 - 铅碰撞更像是将两个苹果砸在一起:后者释放更多的能量,”Velkovska说。

Shengquan Tuo,右,Julia Velkovska和研究生Dillon Roach在范德比尔特的CMS中心,一间配有电信设备的房间,可以监测探测器的性能并直接下载数据。 (由物理系/范德比尔特提供)

去年9月,LHC做了一个短暂的试运行,以确保它适当调整以处理质子 - 铅碰撞。当分析运行结果时,团队成员惊讶地发现在5%的碰撞中集体行为的证据 - 那些是最暴力的。在这些情况下,看起来当“子弹”通过“苹果”时,它释放出足够的能量来熔化弹孔周围的一些颗粒。他们似乎正在形成大约十分之一的铅铅或金 - 金碰撞产生的液滴液滴。然而,最初的分析仅限于跟踪粒子对的运动。研究人员知道,这种分析可能会受到另一个众所周知的现象 - 粒子的产生的影响 飞机。所以,当计划在1月份和2月份进行的质子导向运行时,他们在数据中搜索了显示集体运动的四个粒子组的证据。在分析了几十亿次事件之后,他们发现了数百个碰撞产生超过300个粒子的情况。据Tuo介绍,在研讨会上只有两个模型被提出来解释他们的观察结果。在这两者中,等离子体液滴模型似乎最适合观察。事实上,他报告说,新的数据迫使竞争模型的作者 - 彩色玻璃凝聚物,它把粒子相关性归因于质子本身的内部胶子结构 - 引入流体动力学效应,这意味着它也描述了这种现象作为液滴。

美国CMS合作成员主要由美国能源部和国家科学基金会提供支持。



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