美国能源部布鲁克海文国家实验室和韦恩州立大学的理论家进行的一项新的计算分析支持这样一种观点，即光子(又名光粒子)与重离子碰撞可以产生“强相互作用”粒子的流体。在刚刚发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，他们表明描述此类系统的计算与欧洲大型强子对撞机(LHC)的ATLAS探测器收集的数据相匹配。

数据理论比较表明光粒子可能会产生流体流动

正如该论文所解释的那样，这些计算是基于大型强子对撞机和相对论重离子对撞机(RHIC)上各种类型离子的正面碰撞中观察到的流体动力学粒子流，RHIC是美国能源部科学办公室用于核物理研究的用户设施在布鲁克海文实验室。这些计算仅进行了适度的更改，也描述了在未遂碰撞中看到的流动模式，其中在超速离子周围形成云的光子与相反光束中的离子碰撞。

“结果是，使用我们用来描述铅-铅和质子-铅碰撞的相同框架，我们可以描述这些超周边碰撞的数据，在这些碰撞中，我们有一个光子与一个铅核碰撞，”布鲁克海文实验室理论家Bjoern说。Schenke，该论文的合著者。“这告诉你，在这些光子-离子碰撞中，我们有可能创造出一种小而致密的强相互作用介质，这种介质在流体动力学中得到了很好的描述——就像在更大的系统中一样。”

流畅的签名

对以特征方式流动的粒子的观察是更大的碰撞系统(LHC中的铅-铅和质子-铅碰撞;以及RHIC中的金-金和质子-金碰撞)产生近乎完美流体的关键证据。流动模式被认为源于巨大的压力梯度，这些压力梯度是由碰撞离子重叠处产生的大量强相互作用粒子产生的。

Schenke说：“通过将这些高能原子核粉碎在一起，我们创造了如此高的能量密度——将这些原子核的动能压缩到如此小的空间中——以至于这些物质基本上表现得像流体。”

球形粒子(包括质子和原子核)正面碰撞预计会产生均匀的压力梯度。但是部分重叠的碰撞会产生一个长方形的杏仁形压力梯度，沿着短轴而不是垂直于短轴推出更多的高能粒子。

这种“椭圆流”模式是最早的暗示之一，表明RHIC处的粒子碰撞可能会产生夸克-胶子等离子体或QGP——一种由构成原子核/离子的质子和中子的基本构件组成的热汤。科学家们起初对QGP的液体状行为感到惊讶。但他们后来将椭圆流确定为QGP的一个决定性特征，并证明夸克和胶子仍在强烈相互作用，即使在不受单个质子和中子限制的情况下也是如此。后来对质子与大原子核碰撞中类似流动模式的观察有趣地表明，这些质子-原子核碰撞系统也可以产生微小的夸克-胶子汤斑点。

“我们的新论文是关于将这一点推向更极端的，研究光子和原子核之间的碰撞，”申克说。

改变弹丸

人们早就知道，超周边碰撞可以产生光子-核相互作用，利用原子核本身作为光子的来源。这是因为带电粒子被加速到高能，就像在LHC中加速的铅核/离子(以及在RHIC中加速的金离子)，发射电磁波——光粒子。因此，大型强子对撞机的每个加速铅离子基本上都被一团光子包围。

“当这些离子中的两个非常接近地彼此通过而没有碰撞时，你可以认为一个发射光子，然后它以另一种方式撞击铅离子，”Schenke说。“这些事件经常发生;离子几乎没有错过比精确地相互撞击更容易。”

ATLAS科学家最近发布了有关这些光子-核碰撞产生的有趣的流状信号的数据。

“我们必须建立特殊的数据收集技术来挑选出这些独特的碰撞，”哥伦比亚大学物理学家布莱尔塞德利茨说，他在科罗拉多大学博尔德分校读研究生时帮助建立了ATLAS触发系统进行分析.“在收集到足够的数据后，我们惊讶地发现类似于在铅-铅和质子-铅碰撞中观察到的类似流动的信号，尽管它们要小一些。”

Schenke和他的合作者着手研究他们的理论计算是否能够准确描述粒子流动模式。

他们使用了相同的流体动力学计算来描述铅-铅和质子-铅碰撞系统中产生的粒子的行为。但他们做了一些调整，以解释撞击铅核的“射弹”从质子变为光子。

根据物理学定律(特别是量子电动力学)，一个光子可以经历量子涨落，成为另一个具有相同量子数的粒子。rho介子是由胶子结合在一起的夸克和反夸克的特定组合构成的粒子，是这些光子涨落最有可能的结果之一。

如果你回想一下质子——由三个夸克组成——这个两个夸克的rho粒子只是复杂性阶梯上的一个台阶。

“我们没有在质子内部围绕三个夸克分布胶子，而是在两个夸克(夸克-反夸克)周围分布胶子与原子核发生碰撞，”Schenke说。

布鲁克海文实验室理论家BjoernSchenke的流体动力学计算与大型强子对撞机ATLAS探测器中光子与原子核碰撞的数据相匹配，表明这些碰撞产生了一种“强相互作用”粒子的流体。图片来源：布鲁克海文国家实验室

能源核算

与质子-铅，尤其是铅-铅相比，计算还必须考虑这些光子-核碰撞系统中能量的巨大差异。

“与铅碰撞的发射光子不会携带它来自铅核的全部动量，而只是其中的一小部分。因此，碰撞能量会低得多，”Schenke说。

那个能量差竟然比弹丸的变化还要重要。

在最具活力的铅-铅或金-金重离子碰撞中，无论您沿着光束线(纵向)从碰撞点看多远，出现在与碰撞光束横向的平面中的粒子模式通常都会持续存在。但是，当Schenke和合作者对预期从低能光子-铅碰撞中产生的粒子模式进行建模时，很明显，包括纵向的3D细节会有所不同。该模型表明，粒子分布的几何形状随着纵向距离的增加而迅速变化;粒子变得“去相关”。

“根据它们的纵向位置，粒子会看到不同的压力梯度，”Schenke解释道。

“因此，对于这些低能量光子-铅碰撞，运行完整的3D流体动力学模型(这对计算要求更高)非常重要，因为当您沿纵向方向外出时，粒子分布变化得更快，”他说。

当理论家将他们使用这种低能量、全3D流体动力学模型的预测与ATLAS探测器在光子-铅碰撞中观察到的粒子流模式进行比较时，数据和理论匹配得很好，至少对于最明显的椭圆流模式来说是这样，申克说。

影响和未来

“从这个结果来看，似乎可以想象，即使在光子-重离子碰撞中，我们也有一种强相互作用的流体，可以响应初始碰撞几何形状，正如流体动力学所描述的那样，”Schenke说。“如果能量和温度足够高，”他补充说，“就会出现夸克-胶子等离子体。”

ATLAS物理学家Seidlitz评论说：“看到这些结果非常有趣，这些结果表明形成了一小滴夸克-胶子等离子体，以及该理论分析如何提供关于为什么流动特征更小的具体解释在光子-铅碰撞中。”

未来几年，ATLAS和RHIC和LHC的其他实验将收集更多数据，这将有助于对光子-核碰撞产生的粒子流进行更详细的分析。这些分析将有助于将流体动力学计算与另一种可能的解释区分开来，在另一种可能的解释中，流动模式不是系统对初始几何形状响应的结果。

从长远来看，电子离子对撞机(EIC)的实验可以提供更明确的结论，该设施计划在未来十年的某个时候在布鲁克海文实验室取代RHIC。