相对论性重离子对撞机上超核流动的首次测量

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动的首次观测。这些短暂的稀有原子核除了普通的质子和中子外，还含有至少一个“超子”。

超子包含至少一个“奇怪”夸克，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在中子星的心脏中很丰富，中子星是宇宙中最密集，最奇特的物体之一。虽然发射到中子星研究这种奇异物质仍然是科幻小说的内容，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。

“中子星的条件可能仍然远未达到我们目前在实验室中达到的条件，但在这个阶段，这是我们所能达到的最接近的，”美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的物理学家Xin Dong说。“通过将我们来自这个实验室环境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，这是美国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，以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组成的类似普通原子核的流动进行比较，他们希望深入了解超子和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，“中国科学院近代物理研究所STAR的另一位成员张亚鹏说，他和他的学生Chenlu Hu一起领导了数据分析。跟踪超核应该如何流动，让科学家们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》上的这些数据将提供定量信息，理论家可以用来完善他们对驱动超核形成的超子 - 核子相互作用的描述 - 以及中子星的大规模结构。

“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 - 这意味着原子核的质子和中子越多，原子核在特定方向上的集体流动就越多。这表明这些原子核从它们的组成质子和中子继承了它们的流动，这些质子和中子由于它们的相互作用而聚结或聚集在一起，而相互作用受强核力的控制。

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

“在聚结机制中，原子核(和超核)以这种方式形成，这取决于各个组件之间的相互作用强度，”董说。“这种机制为我们提供了有关核子(在细胞核中)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缩放关系意味着核子 - 核子和超核子 - 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属性。

“碰撞中产生的压力梯度将在向外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的压力梯度是如何产生的，“张说。

“测量的超核流动可能为研究高重子密度下有限压力下的超核子 - 核子相互作用打开一扇新的大门。

科学家们将使用对超核如何与该介质相互作用的额外测量来了解有关其特性的更多信息。

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。测量是在RHIC光束能量扫描的第一阶段进行的，这是一项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以“固定目标”模式运行：一束围绕周长2.4英里的RHIC对撞机的金离子坠毁在STAR探测器内的金箔中。这种低能量使科学家能够获得最高的“重子密度”，这是与碰撞中产生的压力有关的衡量标准。

“在这种最低的碰撞能量下，碰撞中产生的物质非常密集，原子核和超核的产生比在较高碰撞能量下更丰富，”德国海德堡大学博士后Yue-Hang Leung说。“低能碰撞是唯一产生足够这些粒子的碰撞，可以为我们提供进行分析所需的统计数据。以前从来没有其他人这样做过。

科学家们在RHIC学到的东西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和那些普通原子核一样，是在碰撞系统进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不高，”董说。“因此，这些实验可能不会直接模拟中子星的环境。

但是，他补充说，“这些数据是新鲜的。我们需要我们的理论朋友来权衡。当他们建立一个新的中子星模型时，他们需要包括这些关于超子 - 核子相互作用的新数据。我们需要实验学家和我们的理论家的努力来理解这些数据并建立这些联系。

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