布鲁克黑文揭秘夸克胶子等离子体：从宇宙起源到反物质之谜

布鲁克黑文揭秘夸克胶子等离子体：从宇宙起源到反物质之谜

引用

中国科学院

等

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来源

1.

https://www.imp.cas.cn/ttxw2017/202408/t20240821_7308074.html

2.

https://www.stdaily.com/web/gjxw/2024-12/16/content_273224.html

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https://www.victorlamp.com/article/7395755304

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https://www.victorlamp.com/article/7390663170

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https://sf.epochtimes.com/2024/03/21/24985.html

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https://people.ucas.ac.cn/~HaoQiu

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https://news.fudan.edu.cn/2024/1106/c31a142967/page.htm

2024年8月，美国布鲁克黑文国家实验室传来振奋人心的消息：科学家们首次在相对论重离子对撞机（RHIC）实验中观测到了一种新的反物质超核——反超氢-4。这是迄今为止实验上发现的最重的反物质超核，为理解宇宙早期物质状态提供了新的线索。

这一突破性发现背后，是科学家们对夸克胶子等离子体（QGP）长达数十年的不懈探索。QGP是一种在极高温度和压力下形成的物质状态，其中夸克和胶子不再被禁闭在强子内部，而是自由移动。这种状态被认为是宇宙诞生后极短时间内存在的原始形态，对理解早期宇宙的性质至关重要。

在布鲁克黑文国家实验室，科学家们利用RHIC制造出了这种极端状态的物质。RHIC是一个巨大的对撞机，能够将重离子加速到接近光速并使其对撞。当两个金原子核以接近光速的速度相撞时，会产生一个温度高达几万亿度的火球，这相当于太阳核心温度的数十万倍。在这样的极端条件下，夸克和胶子从质子和中子中解放出来，形成了QGP。

研究表明，QGP表现出一些令人惊讶的特性。尽管被称为“等离子体”，但它的行为更接近于一种几乎无黏性的理想流体，具有极低的黏滞性。这种“完美液体”状态表明，QGP中的夸克和胶子能够几乎无摩擦地流动，这与传统等离子体的湍流特性大相径庭。

更令人惊叹的是，QGP中产生的磁场强度达到了惊人的水平。2024年3月的一项研究发现，在RHIC实验中，夸克-胶子等离子体中观测到的量子磁场强度是磁星（已知宇宙中最强大的磁体）的1万倍。这种极端的物理环境为我们提供了研究宇宙早期状态的独特窗口。

为了探测QGP的性质，科学家们采用了先进的实验技术和数据分析方法。在RHIC的STAR实验中，研究人员分析了约66亿个重离子碰撞事件的实验数据，通过衰变产生的反氦-4和π+介子反向重建反超氢-4，最终获得了约16个反超氢-4的信号。

这一发现不仅展示了QGP中反物质的产生机制，还进一步验证了正反物质性质的对称性。研究团队测量了反超氢-4的寿命，并与其对应的正粒子超氢-4比较，在测量精度范围内两者寿命没有明显差异。

QGP研究的意义远不止于此。它不仅为理解宇宙起源和演化提供了关键线索，还推动了量子色动力学（QCD）的发展，并为验证弦论等前沿理论提供了实验依据。此外，相关研究可能启发新材料开发或能源技术的进步。

然而，QGP研究仍面临诸多挑战。例如，如何在实验中更精确地控制对撞参数，如何提高反物质粒子的探测效率等。但正是这些挑战，为未来的研究提供了广阔的空间。

随着技术的不断进步和实验的持续深入，我们有理由相信，QGP研究将继续为人类揭示宇宙最深层的奥秘。