模擬的重離子碰撞中由噴注誘導(dǎo)的馬赫波的三維圖像。研究小組供圖
“核子重如牛，對(duì)撞生新態(tài)”。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道認(rèn)為，這種新的核物質(zhì)形態(tài)存在宇宙早期，也是在實(shí)驗(yàn)室條件下產(chǎn)生的溫度最高、磁場(chǎng)最強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)最快的物質(zhì)。它的體積與一個(gè)原子核的體積相當(dāng)，因此被稱作亞原子液滴。在這些高能核碰撞中，同時(shí)也可以產(chǎn)生出少量高能的夸克膠子噴注，它們以光速在亞原子液滴中傳播，通過(guò)相互作用損失能動(dòng)量。
“夸克膠子等離子體存在于早期宇宙，目前只能在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)重離子碰撞產(chǎn)生，如果能在實(shí)驗(yàn)中找到馬赫波信號(hào)，接下來(lái)可利用它研究夸克膠子等離子體的物理性質(zhì)，人們也許能解開(kāi)宇宙早期的秘密。”王新年告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
就像石子丟在水中會(huì)產(chǎn)生波紋在水面向四方傳播，而打水漂的石片在水面上產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)形成一串半徑隨時(shí)間逐漸變大的圓形波動(dòng)。而當(dāng)噴氣式飛機(jī)在空中的速度超過(guò)聲速時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生音爆并在飛行方向產(chǎn)生馬赫波，在后方留下耗散尾流(類似打水漂的波紋)。
“一般情況下，馬赫波的產(chǎn)生需要兩個(gè)條件，一是高速移動(dòng)的音源，二是存在可以傳播聲音的介質(zhì)。”王新年補(bǔ)充說(shuō)，“高超音速飛機(jī)在空中飛行時(shí)和高能重離子碰撞中的噴注傳播都能滿足這兩個(gè)條件。”
在美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)和歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上，科學(xué)家將金原子核或鉛原子核加速到接近光速并對(duì)撞，高能噴注在碰撞中產(chǎn)生的微觀亞原子液滴中傳播并損失能量，這相當(dāng)于提供了一個(gè)超聲速的“音源”，接近光速的高能粒子可以激發(fā)出馬赫波。
通過(guò)測(cè)量馬赫波的錐角，可以確定亞原子液滴的聲速，從而了解到它的物態(tài)方程。隨著快速膨脹冷卻，夸克膠子等離子體最終要轉(zhuǎn)化為末態(tài)強(qiáng)子，因此可以通過(guò)末態(tài)粒子分布尋找馬赫波的信號(hào)。
王新年和華中師范大學(xué)博士生楊忠、教授龐龍剛，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士后陳蔚(現(xiàn)湖北科技大學(xué)副教授)，西班牙圣地亞哥大學(xué)博士后羅覃合作研究發(fā)現(xiàn)，與馬赫波相伴的耗散尾流是一個(gè)絕佳探針，通過(guò)理論數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，馬赫波會(huì)在噴注與強(qiáng)子關(guān)聯(lián)中產(chǎn)生一個(gè)山脊外加一個(gè)山谷的三維結(jié)構(gòu)。這樣的三維結(jié)構(gòu)是馬赫波和耗散尾流存在的明確證據(jù)。未來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，還可以研究這種三維結(jié)構(gòu)對(duì)亞原子液滴的狀態(tài)方程和剪切黏滯的依賴。
“馬赫波對(duì)研究夸克膠子等離子體的性質(zhì)非常重要。比如，研究其粘滯系數(shù)、相變特性(像水和蒸汽還是像巧克力融化)等，但目前實(shí)驗(yàn)中還未能觀測(cè)到超音速馬赫波。”王新年說(shuō)，“我們計(jì)算模擬出粒子關(guān)聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)是個(gè)非常獨(dú)特的信號(hào)，如果在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種三維結(jié)構(gòu)，這必定是超音速的馬赫波。”
