紐約州立大學石溪分校物理學家 Gabor David 和 Axel Drees 概述了相對論重離子對撞機 (RHIC) 中氘核-金碰撞中噴流能量損失信號如何支持這些碰撞產生夸克膠子等離子體小斑點的觀點，夸克膠子等離子體是一種彌漫在早期宇宙中的物質形式。(凱文·考夫林/布魯克海文國家實驗室)

近日，對相對論重離子對撞機(RHIC)上PHENIX實驗數據的最新分析揭示了重要發現：即使是非常小的原子核與大原子核的碰撞，也可能產生夸克膠子等離子體(QGP)的微小斑點。這一研究成果已發表在《物理評論快報》上。

QGP是一種由自由夸克和膠子組成的物質，科學家認為，這種物質在宇宙大爆炸后幾分之一秒內就滲透到了宇宙中。RHIC通過高能碰撞金離子(被剝離電子的金原子核)，通常會“熔化”這些核的組成部分來產生QGP，從而供科學家研究其性質。

然而，物理學家最初認為，小離子與大離子碰撞不會產生QGP，因為小離子沉積的能量不足以熔化大離子的質子和中子。但PHENIX實驗的證據早已表明，這些小型碰撞系統產生的粒子流模式與QGP微小斑點的存在相一致。此次新發現提供了第一個直接證據，表明RHIC小型碰撞系統中產生的高能粒子在離開時會損失能量并顯著減速。

PHENIX合作項目發言人、日本理化學研究所仁科加速器科學中心物理學家Yasuyuki Akiba表示：“我們首次在小型碰撞系統中發現高能粒子的抑制現象，這是QGP的兩個主要證據之一。”

噴射淬火是QGP的標志之一。當RHIC離子束中的夸克或膠子與沿相反方向行進的束流中的核粒子中的夸克或膠子發生強烈碰撞時，就會產生噴流。如果碰撞形成了QGP，那么被踢出的自由夸克或膠子會與構成等離子體的夸克和膠子發生相互作用，導致能量損失，從而使噴流到達探測器時的能量只有其原始能量的一小部分。

為了尋找這種抑制，物理學家首先通過數學方法估算出金-金碰撞中可能產生的高能粒子數量。然而，這種方法在小型碰撞系統中并不完全有效。當PHENIX科學家在小型碰撞系統中觀察到類似的流體動力學流動模式時，這暗示QGP中可能存在微小液滴，他們開始在這些事件中尋找噴流抑制。

結果令人驚訝：雖然最中心的粒子(如氘核)與金離子的碰撞表現出噴流抑制的跡象，但更外圍的碰撞似乎顯示出能量噴流的增加。為了解釋這一現象，物理學家轉向了一種更直接的方法——計算所謂的“直接”光子。

通過計算直接撞擊探測器的光子數量，PHENIX科學家可以直接測量碰撞的中心性，并確切知道有多少高能夸克或膠子被釋放。結果發現，如果沒有QGP，光子和高能粒子的探測量應成比例。但如果在中心碰撞中探測到的高能噴流粒子數量明顯低于相同能量的直接光子數量，則可能表明存在QGP，從而抑制了噴流。

這一新方法完全依賴于可觀察的量，避免使用理論模型。當使用直接光子作為碰撞中心性的精確測量時，可以清楚地看到中心碰撞中的抑制現象。

下一步，研究人員計劃將同樣的方法應用于其他小型碰撞系統，以進一步弄清這種抑制的起源，并確認目前的理解或排除相互競爭的解釋。