确定夸克-胶子等离子体结构：宇宙最初的流体

在大爆炸后的最初一瞬间，物质以万亿度的夸克和胶子等离子体形式存在——这些亚原子粒子以接近光速的速度四处飞驰。这团翻滚的"汤"仅存在了几微秒，之后这些粒子便凝聚成更稳定的质子和中子。

为了研究这种原始流体，科学家们在大型粒子加速器中重现夸克-胶子等离子体，在那里离子以接近光速的速度相互碰撞。这些碰撞产生的等离子体液滴大小大致相当于一个原子核，存在时间仅为数十亿亿分之一秒。

科学家研究这种等离子体的一种方法是追踪其他粒子，例如重夸克，它们并非等离子体的组成部分，但恰好会穿过等离子体运动。重粒子穿过流体的运动方式，应该能揭示流体本身的微观结构。这一普遍关系最早由物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于1905年提出。

但在粒子以接近光速运动的极端条件下，爱因斯坦理论中的某些部分开始失效；等离子体内部存在一些该理论无法完全捕捉的相互作用。

现在，麻省理工学院和加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）的物理学家们接续了爱因斯坦理论止步之处的研究。他们提出了一套理论，用以预测一个以接近光速运动的相对论性粒子，在穿过流体飞行时会如何受到推拉作用。

研究人员设想，这套新理论可以用来预测重夸克在夸克-胶子等离子体中的运动方式。随后可将这些预测与实验结果进行比较，从而刻画夸克-胶子等离子体的微观结构，以及宇宙诞生之初究竟存在着何种流体。

"我们的研究结果揭示了重夸克所携带信息的一个新来源，即它们运动中罕见的、异常大幅度的变化，"麻省理工学院理论物理中心（Leinweber研究所）的研究生让·杜·普莱西斯（Jean Du Plessis）说。"这些大幅度变化发生的频率取决于等离子体的微观性质，这意味着它们有可能为我们了解夸克-胶子等离子体内部的真实状态提供一种新途径。"

杜·普莱西斯与加州大学圣塔芭芭拉分校卡夫利理论物理研究所的布鲁诺·谢因-希奇菲尔德（Bruno Scheihing-Hitschfeld）今天在《物理评论快报》上报告了他们的研究成果。

从花粉说起的研究路径

1905年，爱因斯坦提出了一套理论，用以描述粒子穿过流体的运动方式，以及这种运动如何揭示流体的微观结构。他的理论灵感来自植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）。1827年，布朗观察到一个令人惊讶的现象：悬浮在看似静止的水中的花粉颗粒会随机抖动和旋转。这种粒子在流体中奇特的抖动现象后来被称为"布朗运动"。

爱因斯坦1905年的理论表明，布朗运动是流体内部不可见的微观力的产物。粒子的运动是流体对粒子施加的减速阻力，与流体内部使粒子持续运动的随机冲击之间的一种平衡。爱因斯坦指出，这些随机冲击必定来自流体内部的微观力，正是由构成流体的原子和分子所施加的。这些微观粒子的能量累积起来，便能冲击和扰动更大的粒子。

自爱因斯坦首次发表该理论以来，科学家们已将其对布朗运动的解释应用于刻画多种流体，包括夸克-胶子等离子体。与大多数其他流体一样，人们曾假设在夸克-胶子等离子体中运动的粒子，应该经历与穿过水的花粉颗粒类似的微观冲击平衡。

这种平衡由一个钟形概率分布来表示，其中粒子在穿过并最终沉降于流体的过程中，最有可能经历中等强度的冲击（钟形曲线的最高点），而经历最极端冲击（钟形曲线的两端尾部）的概率同样较低。

"爱因斯坦指出，阻力和随机冲击必须以恰当的方式达到平衡，粒子才能最终与周围环境达到相同的温度，"杜·普莱西斯解释道。"对于他当时所考虑的那类流体，他的理论是正确的。但对于以相对论速度运动的粒子，这种关系就失效了。我们已经知道这其中缺失了某些东西长达20年之久。因此，我们必须超越爱因斯坦当年的研究。"

冲击速度

在这项新研究中，杜·普莱西斯和谢因-希奇菲尔德计算了一个重夸克以接近光速的相对论速度穿过流体时，可能受到的作用力。他们通过计算强核力（即将夸克和胶子结合在一起的基本力）来实现这一目标。

研究团队从一个相对论性重夸克穿过弱相互作用的夸克和胶子气体的场景开始。这种弱相互作用使其成为计算的一个易于处理的起点。

针对这一起始场景，他们计算了重夸克所受的强核力，以及它在穿过夸克和胶子气体时动量可能发生的变化幅度。这一计算得出了一条曲线，即夸克动量变化的概率分布。同一条曲线也能表示夸克受到各种力度冲击的概率；更强的冲击会导致夸克动量发生更大的变化。

研究人员计算出的曲线呈钟形，与爱因斯坦在其他流体中发现的情况类似，但仅在小冲击范围内如此。与爱因斯坦的钟形曲线不同的是，研究团队发现，对于以相对论速度运动的重夸克，这条曲线呈现出一种倾斜。曲线两端的尾部并不对称，揭示出重夸克所受冲击种类之间存在出人意料的不平衡。

"通常的布朗运动图景假设，大幅度的冲击会变得极其罕见，"杜·普莱西斯说。"然而对于重夸克而言，这些罕见的冲击比钟形曲线所预测的更为常见，而且在相反方向上发生的概率也不相等：使夸克减速幅度超出阻力预期的大幅冲击，比使其加速幅度同样超出预期的大幅冲击更容易发生。"

研究团队在由不同粒子组成的等离子体中进行了相同的计算。他们发现，无论等离子体的构成如何，同样的倾斜曲线都适用。此外，他们还发现，尽管微观物理机制存在差异，但这种相同的结构早已隐藏在此前一项针对强耦合等离子体的计算之中。

"这是首次真正发现并系统化这种看似普遍存在的结构，"杜·普莱西斯说。"这为利用重夸克更好地理解夸克-胶子等离子体，提供了一条具体可行的路径。"

至于这对宇宙最初的流体意味着什么，杜·普莱西斯表示，原始的夸克-胶子等离子体可能"比布朗运动模型所暗示的相互作用更强。它更像是液体，而不太像气体。"

这项研究部分得到了美国能源部科学办公室核物理处、美国国家科学基金会以及西蒙斯基金会的支持。