是什么触发了重离子碰撞碎片的流动波动

参与美国能源部布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)STAR合作的科学家发表了一项综合分析，旨在确定哪些因素对重离子碰撞产生的粒子流波动影响最大.该结果发表在《物理评论快报》上，将帮助科学家们将模拟早期宇宙的独特物质形式的关键特性归零。

这些物理学家感兴趣的物质被称为夸克-胶子等离子体(QGP)——一种万亿度的夸克和胶子汤。这些是所有可见物质最基本的组成部分，是构成原子核质子和中子的成分。RHIC通过碰撞大原子核(又名重离子)束来产生这种热夸克汤。这些碰撞熔化了单个质子和中子的边界，因此科学家们可以研究近140亿年前存在的夸克和胶子，那时那些熟悉的核粒子还没有形成。

“拥有一个可以改变光束能量并碰撞不同种类离子的设施，可以让我们改变夸克物质热团的温度和密度，以及它的大小，”该大学的博士后研究员NiseemMagdy说。伊利诺伊大学芝加哥分校是新分析的领导者之一。“研究在这些不同条件下发生的事情可以告诉我们更多关于我们创造的物质的特性：它的粘性和流动性如何以及它如何从一个阶段转变为另一个阶段-从常规原子核到夸克-胶子等离子体。”

顺其自然

对于这项分析，科学家们对RHIC粒子粉碎产生的碎片的不对称流动特别感兴趣。核物理学家从RHIC的早期观察到，偏心碰撞优先将更多粒子沿碰撞原子核的反应平面推出，而不是垂直于它。这些椭圆流动模式对于发现QGP表现为粘度非常低的液体而不是均匀膨胀的气体非常重要。

但流程并不像那张简单的图片所暗示的那样顺利。有很多波动。确定这些波动的来源将使科学家能够更精确地计算等离子体的特性，包括其粘度。

“波动可能来自初始状态，当离子第一次碰撞时，或者它们可能在QGP发展过程中产生，或者它们可能在系统产生我们在探测器中跟踪的粒子时产生，”该研究所的教授RoyLacey说。石溪大学化学和物理系，曾担任Magdy的博士。论文导师并指导其工作。“当你仔细选择测量以强调该时间线的不同方面时，你可以了解波动的来源。”

追踪来源

为了梳理这些贡献，科学家们研究了多年来RHIC运行中进行的各种碰撞的流动模式。

他们分析了不同大小和类型的原子核/离子(金-金、铀-铀和铜-金)碰撞的流动数据，包括离子相互碰撞的中心或偏离中心的方式。这个练习可以帮助科学家们看到初始状态效应的影响——由重叠离子产生的QGP斑点的大小和形状。

他们还研究了同一离子系统(金-金)在各种碰撞能量下的碰撞流动模式。因为高能量碰撞比低能量碰撞产生更强的压力梯度，所以通过能量观察流动模式的差异将揭示波动随着热物质团的演化而出现。

他们还追踪了不同种类的粒子在相同能量和相同离子类型的碰撞中撞击探测器的流动模式。看到这些数据的差异表明，随着QGP转变回由胶子结合在一起的夸克构成的复合粒子(强子)，会出现波动。

结果表明，流量波动最依赖于碰撞初始状态下产生的条件。

最强的影响：碰撞的中心程度。偏心碰撞会产生一个椭圆形的足球形重叠区域，其中沿足球短轴的压力梯度比沿长轴的压力梯度更大。如前所述，这种不对称的压力梯度沿反应平面推出的粒子比垂直于反应平面的粒子更多。但重要的是，新的分析解释了碰撞区的“块状”。

“有一堆小球[单个质子和中子]随机相互撞击，”马格迪说。“总的来说，它看起来像一个椭圆形，但边缘有波动。”

因此，莱西解释说，“所产生物质的密度分布有点参差不齐，这种参差不齐会影响最终出现的粒子流的波动。”

碰撞离子的大小对流量波动也有适度的影响，小原子核比大原子核产生更大的流量波动。

相比之下，分析显示流动模式不会随碰撞能量或强子化产生的不同粒子种类而显着变化。

“这是我们第一次能够获取在RHIC收集的所有这些数据——来自光束能量扫描和不同系统的碰撞——并将它们组合在一起以确定这些波动的依赖性，”Magdy说。

金离子的碰撞熔化质子和中子，释放出它们的组成粒子、夸克和胶子。一项新的分析表明，在这些碰撞的最早阶段建立的条件在导致这些碰撞产生的粒子不对称流动方面起着最大的作用，沿反应平面出现的粒子多于垂直于反应平面的粒子。

启示

既然科学家们知道初始状态条件是造成流动波动的主要原因，他们将能够减少一个长期存在的关键不确定性，并对夸克-胶子等离子体的特性进行更精确的计算。

“我们现在能够更好地限制这些特性的大小，例如体积粘度、剪切粘度等，”莱西说。

这种精度将帮助他们更准确地绘制出夸克物质在不同温度和压力条件下如何变化——这一过程类似于绘制出任何类型物质(如水)的相。

“更精确的测量将极大地有助于缩小核物质是否存在相变以及在什么条件下发生相变的范围，”莱西说。

特别是对粘度测量施加更严格的限制，也可能有助于科学家发现核相图中是否存在所谓的临界点。这是从普通核物质到QGP本身的相变类型从两个不同状态之间的“一阶”转变到二阶转变的一个点。超过这一点，就会出现平滑的交叉过渡，其中强子和QGP可以共存。粘度的精确测量将使物理学家能够在核相图上寻找预计会在此时发生的剪切粘度下降。

“现在报告的测量结果还没有给出确切的信息，但我们将使用这些新的波动约束结合模型比较来朝这个方向发展，”莱西说。

正如Magdy所解释的那样，“这项新分析正在挑战模型，以提供一种解释来适应这组全面的数据，这样我们就可以更好地了解夸克-胶子等离子体的特性和演化。”