探索地球上最热的物质

　　夸克和胶子是宇宙中的基本粒子，它们无法被分割成更小的组成部分。在强力（自然界中的四种力之一）的作用下，夸克和胶子会紧紧束缚在一起，形成复合粒子，比如我们熟悉的质子和中子。
　　若想要分离这些复合粒子，唯一的方法是在实验室中创造一些最热的物质状态，即夸克胶子等离子体（QGP）。在这种等离子体中，密度和温度极高，以至于质子和中子都融解了。
　　在宇宙大爆炸之后，这种由夸克和胶子组成的粒子汤渗透在整个宇宙之中，但在不到一秒的时间内，宇宙就已经冷却到足以让夸克结合成质子和中子。今天，我们只有通过特殊的装置才能够研究QGP，比如相对论重离子对撞机（RHIC）就是这样一台装置。最近，RHIC公布了最新的发现，将有助于科学家进一步了解QGP的特性。
　　让夸克和胶子自由
　　RHIC是一台周长约4千米的原子粉碎机，它可以通过将两束金离子（被剥去了电子的原子核）进行加速和对撞，从而在极高的能量下创造并研究QGP。这些高能对撞可以融解原子中的质子和中子的边界，释放出其中的夸克和胶子。
　　但问题是，科学家要如何确定对撞是否产生了QGP？一种方法是寻找自由夸克和胶子与其他粒子相互作用的证据。一种被称为（upsilon）的粒子正是完成这项任务的理想粒子。
　　粒子是一种寿命短暂的粒子，它是由重的夸克反夸克（底反底）对组成的束缚态，非常难融解。但当把粒子放在QGP中时，会有大量夸克和胶子围绕在夸克反夸克周围，所有的这些相互作用都会与粒子自身的夸克反夸克相互作用竞争。
　　这种屏蔽相互作用可以将粒子分解，让其有效融解并抑制粒子的数量。但如果夸克和胶子仍然被限制在单个质子和中子内，它们就无法参与分解夸克反夸克对的竞争性相互作用。
　　在夸克胶子等离子体（图中背景）中，自由夸克和胶子会与构成粒子的底夸克和反底夸克相互作用。这张夸克反夸克的屏蔽相互作用会让粒子融解。（图STAR）
　　过去，科学家已经在QGP中，观察了其他夸克反夸克粒子的抑制，也就是由粲反粲夸克对构成的J粒子，但粒子与J粒子并不同。这主要有两个原因：首先，粒子不能在QGP中重新形成；其次，它们其实有三种类型。
　　粒子的优势
　　我们可以首先了解一下这些粒子是如何形成的。粲夸克和底夸克及其反夸克在对撞中很早就产生了，甚至在QGP之前就产生了。在对撞瞬间，当对撞的金离子的动能沉积在一个微小的空间内时，它会引发许多物质和反物质粒子的产生，因为能量转化成了质量。夸克和反夸克会搭档形成粒子与J粒子，然后它们可以与新形成的QGP相互作用。
　　但由于制造较重的粒子需要更多能量，因此在这碗粒子汤中，较轻的粲夸克和反粲夸克，比更重的底夸克和反底夸克要多得多。这意味着，即使一些J粒子在QGP中融解后，其他粒子也可以继续形成，因为粲夸克和反粲夸克在等离子体中找得到彼此。
　　由于较重的底夸克和反底夸克相对罕见，粒子的再次形成极少发生。可以这么说，一旦一个粒子融解，它就消失了。这就意味着，对科学家来说，粒子的计数非常清晰，不会像J计数那样被搅乱。
　　三类粒子的示意图，从左到右分别是紧密结合的基态、中间结合态和最松散的结合态。（图STAR）
　　粒子的另一个优点是，与J粒子不同，它有三类，包括一个紧密结合的基态，和两个不同的激发态，其中夸克反夸克对的结合更松散。不难理解，绑得最紧的版本是最难拉开的，需要在更高的温度下才能融解。这样一来，就可以依赖这三类粒子的差异，建立起一个QGP温度的范围。
　　首次在RHIC进行测量
　　另一组科学家先前曾利用大型强子对撞机（LHC）的CMS探测器测量过粒子的顺序融解，而此次研究人员是首次在RHIC上测量了三种粒子的抑制。
　　在新研究中，科学家并不会直接测量粒子，因为它们转瞬即逝。相反，他们测量的是粒子的衰变产物。团队研究了两条衰变通道，一条衰变途径会带来电子正电子对，它们由RHIC的STAR的电磁量能器接收，另一条衰变路径则是正负子，它们会由STAR的子望远镜探测器追踪到。
　　在这两种情况下，通过重建衰变产物的动量和质量，就能确定它们是否来自一个粒子。而且，由于不同类型的粒子具有不同的质量，科学家也能将这三种类型区分开来。
　　在没有夸克胶子等离子体的情况下（黄色柱状图）和在等离子体中（背景为QGP的橙色柱状图），基态（1s）和两种不同的激发态（2s和3s）的相对丰度和粒子的产量的变化。在QGP中没有3s状态的粒子的产量，这意味着所有的3s的粒子可能已经融解。（图STAR）
　　他们发现了预期的模式。最紧密结合的基态的抑制或者说融解程度最低，位于中间的结合态的抑制程度比较高，而最松散的结合态基本没有了粒子，这意味着，最后一组中所有粒子可能都已经融解了。但科学家也表示，对这种最高度激发的松散结合态，测量的不确定性水平也相当大。
　　令人期待的结果
　　这是子望远镜探测器最令人期待的结果。这台组件是专门为追踪粒子而提出建造的，早在2005年就进行了规划，于2010年开始建造，并在2014年RHIC运行前进行了安装。
　　研究人员介绍，这是一项极具挑战性的测量，但它也证明了STAR的子望远镜探测器项目是成功的。团队将在未来几年继续使用这个探测器组件，收集更多数据，减少结果的不确定性。
　　通过测量粒子抑制或融解的水平，研究人员可以推断出QGP的特性。研究人员虽然还不能根据这次测量准确地知道QGP的平均温度是多少，但这次测量是在逐步缩小目标范围，以便更清楚地了解这种独特的物质形式。
　　参考来源：
　　https：www。bnl。govnewsroomnews。php？a121097
　　封面图首图：STAR