王新年等合作揭示亚原子“汤”中的旋涡结构

内容来源：中国科技论文在线

宇宙标准模型认为宇宙大爆炸最初时刻处于由自由粒子组成的炽热的”汤”，即夸克胶子等离子体，这是一种全新的物态。按照人们现在的认识，夸克胶子等离子体是一种“完美”的几乎无粘滞的液体。科学家一直致力于在高能原子核碰撞中产生夸克胶子等离子体，以使我们更好地了解宇宙起源，此外它也与恒星坍缩产生的致密星(如中子星)的物理密切相关。

最近，一个由中国、美国和德国研究人员组成的国际研究团队使用强大的超级并行计算机对原子核碰撞进行模拟，给出了夸克胶子等离子体的细致的涡流结构和物质粒子自旋-涡旋耦合效应，从一个新视角揭示出这种新物态的复杂相互作用。同时，研究人员也提出了通过测量超子极化关联函数来探测夸克胶子等离子体的流体特性的设想，预期得到实验的检验。相关研究成果已经发表于最新一期的《物理评论快报》。

据悉，该项研究工作的通讯作者是在华中师范大学和美国伯克利国家实验室任职的王新年教授，他是多年从事高能原子核对撞物理研究的资深理论物理学家。其他研究者是来自德国法兰克福大学及高等研究所的庞龙刚博士（前华中师大博后、中科大博士生）、Petersen教授和中国科学技术大学的王群教授。

该数值模拟是在德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心和中国华中师范大学的超级并行计算机上完成的。

解构热密物质

夸克胶子等离子体是由组成物质的基本粒子即夸克和胶子构成的自由体系。胶子的主要作用是将夸克粘合在一起组成原子核中的质子和中子(统称核子)。这种奇特的等离子态的温度可以达到7万亿摄氏度，是太阳核心温度的250000倍。在这种温度下，质子和中子都被融化，释放出通常禁闭在核子内部的夸克和胶子。

这样的高温可以通过原子核的高能碰撞达到，比如美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的金核对撞和欧洲粒子研究中心的大型强子对撞机上的铅核对撞。2005年科学家发现在相对论重离子对撞实验中产生的夸克胶子等离子体的行为更像一个完美的流体。在相对论重离子对撞机实验中，除了使用金核与金核对撞之外，科学家还使用其它对撞粒子如质子、铜核以及铀核。 欧洲核子中心的大型强子对撞机在2014年开始运行、进行铅核与铅核对撞实验，并且已经确认夸克胶子等离子体确实表现出完美流体的现象。

这种等离子体寿命非常短，在于宇宙大爆炸后的百万分之几秒间存在过，它的内部相互作用仍然存在一些待解的谜团。研究人员正在结合理论、模拟和实验提取更深入的知识和信息。

等离子体的令人惊讶的复杂性

在复杂的模拟中，王新年教授和合作者发现这种等离子体表现出超出目前人们了解的更多流体性质。他们的数值模拟显示在偏心原子核对撞中产生的膨胀流体具有丰富的局部涡流结构，它与等离子体的流体性质和内部粒子相互作用相关。模拟显示该等离子体沿着和垂直于对撞原子核束流方向膨胀并具有涡流性质的局部旋转。就像用手指轻弹一枚硬币让它旋转一样，非对心碰撞的原子核系统携带巨大的角动量通过粒子之间相互碰撞最终以局域涡流的形式存在于夸克胶子等离子体中。

数值模拟揭示沿着对撞核束流方向有存在一个右手螺旋方向的涡流。除此之外，在纵向或束流方向还有很多方向相反的涡流对。这些甜甜圈形状的涡流类似于旋转的烟圈，是经典流体力学中的常见特征。

数值模拟还揭示了一种来自等离子体中热点的横向膨胀集体流，形状像车轮向外发散的辐条。该数值模拟的时间尺度非常小，大约是光穿越10到20个质子所需的时间。在此瞬间，这种带有涡流的流体像火球一样爆裂，朝外喷射出粒子流。

王新年教授指出，任何对夸克胶子等离子体特性的新现象的理解都有助于解释高能原子核碰撞实验的数据，该数值模拟中显示出的类似甜甜圈的涡流结构是完全出人意料的。

解开谜团

王新年教授说：“数值模拟所揭示的新现象为我们打开了研究夸克胶子等离子体性质的一个新视角，希望这能提供另外一种途径来理解为什么夸克胶子等离子体是如此完美的流体，而这仍然是一个谜。该工作不仅对理论有益，也对实验有帮助。”

该数值模拟为夸克胶子等离子体的流体行为提供了更多的证据，按照很久以前的理论，它像某种气体。王新年教授介绍说，而现在人们能描述它的唯一方法就是需要非常小的粘滞性(几乎没有摩擦)，这是“完美流体“的一个特征，但是它不是我们熟知的宏观流体比如水，它是比水分子尺寸还小数万倍的微观流体。

迈克•里萨是美国俄亥俄州立大学的物理学教授，也是相对论重离子对撞机的STAR实验合作组成员。他说，尽管有最新理论研究结果，可是到目前为止实验上还没有能力测量到等离子体中的涡流结构。STAR实验合作组的目标就是研究夸克胶子等离子体的形成及其特征。

里萨教授说：“王新年教授和他的合作者已经发展出了复杂和最先进的能描述夸克胶子等离子体时空演化的流体动力学模型，其数值模拟已经显示出流体的涡流结构，更重要的是他们提出了一种在实验中测量这些结构的方法。“

里萨教授也提到现在实验家正在分析相对论重离子对撞机和大型强子对撞机的实验数据，希望能证实这些理论预言。他表示，“创新应该就像这样，即理论家和实验家携手合作探索新现象，并希望把对夸克胶子等离子体的认识推向更深的层次。”