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电磁场效应在重离子碰撞中的观测

科学探索万象经验2024-03-01

一篇最近发表在《自然》杂志上的论文,它报道了在相对论重离子对撞机(RHIC)上观测到的电磁场效应,通过带电粒子的定向流(v1)来探测。这是一个非常有趣和重要的发现,因为它揭示了在极端条件下,电磁场和强相互作用之间的耦合,以及它对夸克-胶子等离子体(QGP)的性质的影响。

我们知道,物质是由原子组成的,而原子又是由核和电子组成的。核是由质子和中子组成的,而质子和中子又是由夸克和胶子组成的。夸克是最基本的构成物质的粒子,而胶子是传递强相互作用的粒子,它们把夸克紧紧地粘在一起形成核子。在正常的条件下,夸克和胶子是被束缚在核子内部的,我们不能直接观测到它们。但是,如果我们把物质加热到非常高的温度,或者把它压缩到非常高的密度,那么夸克和胶子就会从核子中解放出来,形成一种新的物质状态,叫做夸克-胶子等离子体。这种状态可能存在于宇宙早期的微秒之内,也可能存在于一些致密的天体,如中子星的内部。

为了在实验室中产生和研究 QGP,物理学家使用了一种特殊的装置,叫做相对论重离子对撞机。这种装置可以把重的原子核(如金或铅)加速到接近光速,然后让它们在一个非常小的空间内相互碰撞。这样,就会产生一个非常高的温度和密度的区域,其中夸克和胶子可以自由地运动,形成 QGP。然后,我们可以通过探测器来测量从碰撞中飞出来的各种粒子,来推断 QGP 的性质和行为。

在相对论重离子对撞机上,物理学家使用了两个探测器,叫做 STAR 和 PHENIX,来进行这样的实验。他们发现,当两个重核相互碰撞时,会产生一个非常强的电磁场。这个电磁场是由于两个重核的电荷和速度产生的,它的方向和碰撞平面垂直,而且随着时间的推移而衰减。这个电磁场对 QGP 中的带电粒子有着重要的影响,它会使它们在垂直于碰撞平面的方向上有一个偏转,这个偏转的方向和粒子的电荷有关。这个现象叫做电磁场效应,它可以通过测量带电粒子的定向流(v1)来探测。定向流是指粒子在碰撞平面内的偏离角度的分布,它反映了 QGP 的各向异性和动力学。如果电磁场效应存在,那么正负电荷的粒子的 v1 应该有一个相反的符号,而且随着碰撞参数(即碰撞的偏心度)的增加而增加。

为了观测电磁场效应,物理学家使用了 STAR 探测器的数据,其中包括了从2010年到2017年之间的金-金碰撞,以及从2014年到2016年之间的铅-铅碰撞。他们选择了一些特定的条件,来提高电磁场效应的信号,例如: