轉瞬即逝的夸克湯,在大爆炸後第 1 毫秒內發生了什麼事?

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 28 日 9:41 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


宇宙最初處於極度炙熱稠密狀態,這是一個相當準確但也模糊的描述,究竟是什麼東西又熱又緻密?要回答這問題,就必須進行複雜的理論建模和高能粒子物理實驗。最近科學家利用對撞機實驗研究了夸克-膠子電漿如何在大爆炸後 0.000001 秒內轉變成強子,雖然只是小細節,卻能幫助掌握宇宙的關鍵轉變。

根據粒子物理學與標準宇宙學模型,物理學家相信大爆炸後 0.000001 秒內曾唯一存在稱為夸克-膠子電漿(Quark-Gluon Plasma,簡稱 QGP)的物質狀態,俗稱夸克湯(quark soup),其行為受強作用力控制,遵循量子色動力學(QCD)定律,隨後因宇宙膨脹而消失,重新形成所謂的強子。

然而,儘管科學家目前對描述夸克與膠子之間強交互作用的 QCD 理論已有一定理解,但描述該理論的數學程式是如此復雜難以計算,就算超級電腦來也很難計算夸克-膠子相互作用的狀態,我們該如何理解它?

只能來硬的了。

直接利用對撞機將電漿中離子以接近光速的速度撞擊在一起,在 170MeV 能級下環境短暫製造出 QGP,重現大爆炸歷史,追溯宇宙在不到 1 毫秒時間內究竟發生了什麼事,看看 QGP 如何從最初狀態演變​​為原子與構成生命要素的關鍵。過去,歐洲核子研究組織(CERN)和布魯克黑文國家實驗室(BNL)曾利用金和鉛原子核進行過以上撞擊實驗。

最近,大型強子對撞機中的 A 大型離子對撞機實驗(A Large Ion Collider Experiment,ALICE)研究了這種碰撞,不僅分析了 QGP 狀態,還研究了夸克-膠子電漿如何轉變成強子(兩種最常見的強子類型是構成原子核的質子和中子)。

此外,研究人員開發了新算法能夠比以往方法一次分析更多粒子,而研究結果顛覆過往科學家認為電漿是氣體的一種形式,實際上 QGP 更像光滑的液體形式(如水),隨著時間推移不斷變化形狀,從而與其他物質區分開來。

這項發現看起來是個很小的細節,但也能幫天文學家解決一些大爆炸謎題,究竟當前可觀測宇宙如何在瞬間經歷指數級膨脹將近 1,026倍,並冷卻了 100,000 倍。

(首圖來源:pixabay