王新年等合作揭示亚原子“汤”中的旋涡结构

宇宙标准模型认为，大爆炸最初是在*粒子的热“汤”中，即夸克胶子等离子体，这是一种全新的物质状态。根据人们目前的理解，夸克胶子等离子体是一种“完美的”几乎无粘性的液体。科学家们一直努力在高能核碰撞中产生夸克-胶子等离子体，以便我们能更好地理解宇宙的起源。此外，它还与恒星坍缩产生的致密恒星(如中子星)的物理学密切相关。

最近，由中国、美国和德国的研究人员组成的国际研究小组使用强大的超级并行计算机模拟核碰撞，给出了夸克-胶子等离子体的详细涡旋结构和物质粒子的自旋-涡旋耦合效应，从一个新的角度揭示了这种新物质状态的复杂相互作用。同时，研究人员还提出了通过测量超子极化相关函数来检测夸克胶子等离子体流体特性的想法，这有望通过实验得到验证。相关的研究结果已经发表在最新一期的《物理评论快报》上。

据了解，本研究的通讯作者是华中师范大学和美国伯克利国家实验室的王新年教授。他是资深理论物理学家，从事高能核碰撞物理研究多年。其他研究人员有法兰克福大学和德国高等研究院的庞龙刚博士(原华中师范大学博士生和中国科技大学博士生)、中国科技大学的彼得森教授和王群教授。

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

解构热致密物质

夸克胶子等离子体是由夸克和胶子组成的*系统，它们是物质的基本粒子。胶子的主要功能是将夸克结合在一起，在原子核中形成质子和中子(统称为核子)。这种奇怪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25万倍。在这个温度下，质子和中子熔化，释放出通常被限制在原子核内的夸克和胶子。

这种高温可以通过原子核的高能碰撞来实现，例如美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机的金碰撞和欧洲粒子研究中心的大型强子对撞机的铅碰撞。2005年，科学家发现在相对论重离子碰撞中产生的夸克胶子等离子体更像一种完美的流体。在相对论重离子对撞机实验中，除了使用金原子核与金原子核碰撞之外，科学家还使用其他碰撞粒子，如质子、铜原子核和铀原子核。欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机于2014年开始运行，进行铅核和铅碰撞实验，并证实夸克胶子等离子体确实表现出完美的流体现象。

这种等离子体的寿命非常短，因为它在大爆炸后的百万分之几秒内就存在了，而且关于它内部的相互作用还有一些未解之谜。研究人员正在将理论、模拟和实验结合起来，以提取更深入的知识和信息。

等离子体惊人的复杂性

在一次复杂的模拟中，王新年教授和他的合作者发现，等离子体显示出比目前人们所知道的更多的流体性质。数值模拟表明，偏心核碰撞产生的膨胀流体具有丰富的局部涡结构，这与等离子体的流体性质和内部粒子的相互作用有关。模拟表明，等离子体沿碰撞核束的方向并垂直于碰撞核束的方向膨胀，并具有涡流性质的局部旋转。就像用手指轻弹硬币使其旋转一样，非碰撞核系统携带巨大的角动量，并最终通过粒子间的碰撞以局部涡旋的形式存在于夸克-胶子等离子体中。

数值模拟表明，在碰撞核束方向的右手螺旋方向存在一个涡旋。此外，在纵向或束方向上有许多方向相反的涡流对。这些环形漩涡类似于旋转的烟圈，是经典流体力学的共同特征。

数值模拟还揭示了从等离子体热点横向扩展的集体流，形状像向外发散的车轮辐条。数值模拟的时间尺度非常小，大约是光通过10到20个质子所需的时间。这时，带有旋涡的流体像火球一样爆裂，向外喷射出一股粒子流。

王新年教授指出，对夸克胶子等离子体性质这一新现象的任何理解都将有助于解释高能核碰撞实验的数据。数值模拟中显示的环状旋涡结构是完全出乎意料的。

解开谜团。

王新年教授说:“数值模拟揭示的新现象为我们研究夸克胶子等离子体的性质开辟了一个新的视角，希望它能提供另一种方法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。这项工作不仅有利于理论，而且有助于实验。”

这一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。根据很久以前的理论，它就像一种气体。王新年教授说，现在人们能够描述它的唯一方法是要求非常小的粘度(几乎没有摩擦)，这是“完美流体”的一个特征，但它不是像水这样的宏观流体，而是比水分子小几万倍的微观流体。

迈克尔·村上里沙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星际实验小组的成员。他说，尽管有最新的理论研究结果，到目前为止实验还不能测量等离子体中的涡流结构。STAR实验小组的目标是研究夸克胶子等离子体的形成和特征。

村上里沙教授说:“王新年教授和他的合作者开发了一个复杂且最先进的流体动力学模型，可以描述夸克胶子等离子体的时空演化。其数值模拟显示了流体的旋涡结构。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

村上里沙教授还提到，实验人员目前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测。他说，“创新应该是这样的:理论家和实验者一起探索新的现象，希望把对夸克-胶子等离子体的理解推向更深的层次。”