对上图相对论重离子对撞机（RHIC）的STAR探测器数据的全面分析表明，当重离子在探测器中心碰撞时产生的条件对这些碰撞产生的粒子不对称流动的影响最大。这些结果将帮助科学家将模仿早期宇宙的独特物质形式的关键特性归零。学分：布鲁克海文国家实验室
相对论重离子对撞机（RHIC）的STAR合作科学家 - 美国能源部布鲁克海文国家实验室的原子粉碎机 - 发表了一项全面的分析，旨在确定哪些因素最能影响重离子碰撞粒子流动的波动。发表在 《物理评论快报》 上的研究结果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组成部分。RHIC通过碰撞大原子核（又名重离子）的束来创造这种热夸克汤。碰撞融化了单个质子和中子的边界，因此科学家们可以研究夸克和胶子，因为它们存在于近140亿年前，在这些熟悉的核粒子形成之前。
“拥有一个可以改变光束能量并碰撞不同种类离子的设施使我们能够改变夸克物质热团的温度和密度，以及它的大小，”伊利诺伊大学芝加哥分校博士后Niseem Magdy说，他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性质：它的粘性和流动性，以及它如何从一个相转变为另一个相 - 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的早期就观察到，偏离中心的碰撞优先将更多的粒子沿着碰撞核的反应平面推出，而不是垂直于它。这些椭圆形流动模式对于发现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图片所暗示的那样顺畅。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性质，包括其粘度。
“波动可能来自初始状态，当离子第一次碰撞时，或者它们可以在QGP进化时发展，或者当系统产生我们在探测器中跟踪的粒子时，它们可能会发展，”石溪大学化学和物理系教授Roy Lacey说，他曾担任Magdy的博士论文导师并指导他的工作。“当你仔细选择测量值以强调时间线的不同方面时，你可以了解波动来自哪里。
跟踪来源
为了区分这些贡献，科学家们研究了在多年的RHIC操作中进行的各种碰撞的流动模式。
他们分析了来自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，并包括离子如何相互撞击中心或偏离中心。这个练习可以帮助科学家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）在各种碰撞能量下碰撞中的流动模式。由于高能量碰撞比低能量碰撞产生更强的压力梯度，因此看到能量流动模式的差异将揭示波动随着热物质团的演变而出现。
他们跟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将表明，当QGP跃迁回由胶子结合在一起的夸克制成的复合粒子（强子）时，波动就会出现。
结果表明，流动波动最依赖于碰撞初始状态下产生的条件。
影响最大的是：碰撞有多中心。偏心碰撞会产生一个长方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强。如前所述，这种不对称的压力梯度沿反应平面推出的颗粒多于垂直于反应平面的颗粒。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，”Magdy说。“总的来说，它看起来像一个椭圆形，但边缘周围有波动。
因此，莱西解释说，“产生的物质的密度分布有点块状，块状会影响最终出现的粒子流动的波动。
碰撞离子的大小对流动波动也有适度的影响，小原子核产生的流量波动比大原子核大。
相比之下，分析显示流动模式不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从RHIC收集所有这些数据 - 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。
影响
现在科学家们知道初始状态条件是流动波动的主要原因，他们将能够减少长期存在的关键不确定性，并对夸克-胶子等离子体的性质进行更精确的计算。
“我们现在能够对这些特性的大小进行更好的约束，如体积粘度，剪切粘度等，”Lacey说。
这种精度将帮助他们更精确地绘制出夸克物质在不同温度和压力条件下的变化——这个过程类似于绘制出任何类型物质（如水）的相位。
“更精确的测量将极大地有助于缩小核物质中是否存在相变以及在什么条件下，”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”过渡转变为二阶跃迁的一点。超过这一点，就会发生平滑的交叉过渡，强子和QGP可以共存。粘度的精确测量将使物理学家能够寻找剪切粘度的下降，预计此时会出现在核相图上。
“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与模型比较相结合，朝着这个方向前进，”莱西说。
正如Magdy所解释的那样，“这项新的分析正在挑战模型，以提供解释以适应这套全面的数据，以便我们能够更好地了解夸克 - 胶子等离子体的性质和演化。
更多信息： M. S. Abdallah 等人，各向异性流动波动的碰撞系统和光束能量依赖性， 物理评论快报 （2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.252301
期刊信息： 物理评论快报