RHIC首次测量超核流

在 相对论重离子对撞机 (RHIC) 上研究粒子碰撞的物理学家发表了对超核定向流的首次观察。除了普通的质子和中子之外，这些短命的稀有原子核还至少包含一个“超子”。超子包含至少一个“奇异”夸克，以代替构成普通核子(质子和中子的统称)的上夸克或下夸克之一。这种奇怪的物质被认为存在于中子星的中心，中子星是宇宙中密度最大、最奇特的物体之一。虽然发射到中子星以研究这种奇异物质仍然是科幻小说中的内容，但粒子碰撞可以让科学家从地球上的实验室深入了解这些天体。

能源部劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Xin Dong 说：“中子星的条件可能与我们目前在实验室中达到的条件相去甚远，但在现阶段这是我们能达到的最接近的条件。” (LBNL) 参与了这项研究。“通过将我们从这个实验室环境中获得的数据与我们的理论进行比较，我们可以尝试推断中子星中发生了什么。”

科学家们使用 RHIC 的 STAR 探测器，RHIC 是能源部科学办公室在布鲁克海文国家实验室进行核物理研究的用户设施，用于研究金核碰撞产生的碎片的流动模式。这些模式是由碰撞中产生的巨大压力梯度触发的。通过将超核的流动与仅由核子构成的类似普通核的流动进行比较，他们希望深入了解超子与核子之间的相互作用。

“在我们的正常世界中，核子-核子相互作用形成了正常的原子核。但是当我们进入中子星时，超子-核子相互作用——我们还不太了解——变得与理解结构非常相关，”来自中国近代物理研究所的另一位 STAR 成员张亚鹏说。科学院，他和他的学生陈璐胡一起领导了数据分析。追踪超核流动如何让科学家深入了解形成这些奇异粒子的超子-核子相互作用。

刚刚发表在《物理评论快报》上的数据 将提供定量信息，理论家可以使用这些信息来完善他们对驱动超核形成的超子-核子相互作用以及中子星的大尺度结构的描述。

“没有可靠的计算来真正建立这些超子-核子相互作用，”张说。“这种测量可能会限制理论并为计算提供可变输入。”

顺其自然

先前的实验表明，常规原子核的流动模式通常与质量成比例——这意味着原子核拥有的质子和中子越多，原子核在特定方向上表现出的集体流动就越多。这表明这些原子核从它们的组成质子和中子那里继承了它们的流动，质子和中子由于它们的相互作用而结合或聚集在一起，而这些相互作用是由强核力控制的。

本文报告的 STAR 结果表明，超核遵循同样的质量缩放模式。这意味着超核很可能通过相同的机制形成。

放大

相对论重离子对撞机 (RHIC) 上 RHIC (STAR) 螺线管跟踪器的侧视图，RHIC 是能源部布鲁克海文国家实验室用于核物理研究的粒子对撞机。

“在聚结机制中，原子核(和超核)以这种方式形成，这取决于各个成分之间相互作用的强度，”董说。“这种机制为我们提供了有关核子(在原子核中)与超核中的核子和超子之间相互作用的信息。”

科学家们说，看到正常核和超核的相似流动模式和质量比例关系意味着核子-核子和超子-核子相互作用非常相似。

流动模式还传达了有关粒子粉碎中产生的物质的信息——包括它的热度和密度以及其他特性。

“碰撞中产生的压力梯度会在出射粒子方向上引起一些不对称。因此，我们观察到的流动反映了核物质内部压力梯度的产生方式，”张说。

“测得的超核流可能为研究高重子密度下有限压力下的超子-核子相互作用打开一扇新门。”

科学家们将使用额外的测量方法来测量超核如何与该介质相互作用，以了解更多关于它的特性。

低能耗的好处

如果没有 RHIC 在如此广泛的碰撞能量范围内运行的多功能性，这项研究是不可能的。这些测量是在 RHIC 束能量扫描的第一阶段进行的——这是对金-金碰撞的系统研究，范围从每个碰撞粒子对 200 GeV 到 3 GeV。

为了达到最低能量，RHIC 在“固定目标”模式下运行：一束金离子在 2.4 英里周长的 RHIC 对撞机周围运行，撞上放置在 STAR 探测器内的金箔。这种低能量使科学家能够获得最高的“重子密度”，这是一种与碰撞中产生的压力相关的量度。

德国海德堡大学博士后研究员 Yue-Hang Leung 说：“在这种最低的碰撞能量下，碰撞中产生的物质非常致密，与更高的碰撞能量相比，原子核和超核的产生更加丰富。” “低能碰撞是唯一产生足够多这些粒子的碰撞，可以为我们提供分析所需的统计数据。以前没有人这样做过。”

科学家们在 RHIC 学到的知识与中子星有什么关系?

超核似乎像普通原子核一样通过聚结形成这一事实意味着它们与那些普通原子核一样，是在碰撞系统演化的后期阶段产生的。

“在这个后期阶段，我们看到的超子-核子相互作用的密度并没有那么高，”董说。“所以，这些实验可能不是直接模拟中子星的环境。”

但是，他补充说，“这些数据是最新的。我们需要我们的理论朋友参与进来。他们在建立新的中子星模型时需要包括关于超子-核子相互作用的新数据。我们需要实验家和理论家的努力来理解这些数据并建立这些联系。”