大型強子對撞機中的粒子碰撞

　　北京時(shí)間 9 月 26 日消息，據國外媒體報道，愛(ài)因斯坦的狹義相對論曾預測過(guò)一種名叫“色玻璃凝聚態(tài)”的神秘物質(zhì)形態(tài)。而在長(cháng)達十年的尋找之后，在大型強子對撞機工作的科學(xué)家們終于看到了希望的曙光。

　　大型強子對撞機是全球最大的粒子對撞機，是一個(gè)總長(cháng) 27 公里的環(huán)狀結構，位于接近法國與瑞士邊境的地下深處。不過(guò)，研究人員并不是通過(guò)讓以接近光速運行的粒子相撞來(lái)尋找這種神秘物質(zhì)的。相反，他們的關(guān)注點(diǎn)在于當粒子并未相撞、而是近距離擦肩而過(guò)時(shí)，究竟發(fā)生了什么。

　　在標準物理學(xué)模型中，宇宙中 98% 的物質(zhì)都是由一種名叫“膠子”的基本粒子維系在一起的。正是膠子將夸克聯(lián)結在一起、構成了質(zhì)子和中子。而如果將質(zhì)子加速到接近光速，就會(huì )發(fā)生一種奇特的現象：質(zhì)子內部的膠子濃度會(huì )急劇升高。在這種情況下，膠子會(huì )分裂成一對能量更低的膠子，后者再進(jìn)一步分裂成另一對膠子，并不斷持續下去。最終，質(zhì)子內部的膠子分裂會(huì )達到一個(gè)上限，膠子數量也就不再繼續增加。此時(shí)這種狀態(tài)就叫“色玻璃凝聚態(tài)”：一種可能存在于超高能質(zhì)子和重原子核中的假想物質(zhì)狀態(tài)。

　　科學(xué)家指出，這種凝聚態(tài)能夠解釋物理學(xué)的許多未解之謎，比如粒子是如何在高能撞擊中形成的、以及物質(zhì)在粒子內部的分布情況等等。但數十年以來(lái)，科學(xué)家始終沒(méi)能證實(shí)它的存在。一直到 2000 年，位于紐約的布魯克海文相對論重離子對撞機才首次發(fā)現了色玻璃凝聚態(tài)可能存在的跡象。

　　布魯克海文實(shí)驗室的研究人員讓剔除了電子的金原子相撞后，在涌出的大量粒子中發(fā)現了一種奇怪的信號，顯示這些原子內部的質(zhì)子中已經(jīng)擠滿(mǎn)了膠子、正開(kāi)始形成色玻璃凝聚態(tài)。在此之后，科學(xué)家又在大型強子對撞機中用重離子開(kāi)展了進(jìn)一步碰撞實(shí)驗，也取得了類(lèi)似的結果。然而，如果讓質(zhì)子在相對論速度下相撞，我們只能短短瞥見(jiàn)一眼質(zhì)子的內部構造，因為這些亞原子粒子轉瞬間就會(huì )發(fā)生劇烈爆炸、灰飛煙滅。因此，要想真正探測質(zhì)子的內部結果，我們必須采用一種更“溫和”的手段。

　　當質(zhì)子等帶電粒子被加速到高速時(shí)，便會(huì )產(chǎn)生強大的電磁場(chǎng)，并以光子的形式釋放出能量。這種能量泄漏一度被認為是粒子加速器的副作用，沒(méi)有得到人們的重視。不過(guò)，物理學(xué)家如今已經(jīng)找到了一些新方法，使我們能夠充分利用這些高能光子的優(yōu)勢。當質(zhì)子在加速器中迅速擦肩而過(guò)時(shí)，釋放出的“光子風(fēng)暴”可以導致質(zhì)子與光子相撞，而這種所謂的“超外圍碰撞”正是我們弄清高能粒子內部運作情況的關(guān)鍵?？茖W(xué)家解釋道，高能光波擊中質(zhì)子時(shí)，可以在不破壞質(zhì)子的情況下產(chǎn)生各類(lèi)粒子。而這些粒子被探測器記錄下來(lái)之后，科學(xué)家便能夠以從未有過(guò)的精度、重現質(zhì)子的內部結構。

　　一支由多國科學(xué)家組成的研究團隊正在利用該方法尋找神秘的色玻璃凝聚態(tài)，并于今年 8 月在期刊《歐洲物理學(xué)雜志C輯》上發(fā)表了初期研究結果。該團隊首次通過(guò)間接方式、測量出了四個(gè)不同能級上的膠子密度，而在最高一級能級上，他們發(fā)現了色玻璃凝聚態(tài)正在開(kāi)始形成的跡象。

　　研究人員表示，這些實(shí)驗結果非常令人激動(dòng)，進(jìn)一步揭示了質(zhì)子內部的膠子變化規律，但仍有許多理論問(wèn)題尚待解答。就目前而言，色玻璃凝聚態(tài)的存在仍然是個(gè)謎團，還沒(méi)有被完全揭開(kāi)。
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