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迈向大爆炸的步伐:揭开简单碰撞中的山脊关联性

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在一个重要的发现中,ALICE合作组织在最简单的碰撞系统中观察到了山脊相关性,为了解小型系统中类似夸克胶子等离子体的集体现象提供了启示。这项研究将有助於确定支配集体行为的机制。这项观察使物理学家离找到小型碰撞系统中集体现象的起源又近了一步。

ALICE ITS的外桶安装。资料来源:欧洲核子研究中心

当金或铅等原子核在粒子对撞机中以高能量对撞时,它们可以产生夸克-胶子等离子体(QGP)–一种被预测为大爆炸後不久就存在的热而密的物质状态。在这种重离子碰撞中形成的QGP的关键特徵之一是在碰撞中产生的粒子之间的长程空间对应关系,或者说相关性。这种集体现象在数据图中表现为山脊状,被称为山脊,这一现象於2005年在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机中首次观察到,此後又在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)的较小碰撞系统中观察到,如质子间的碰撞。

关闭ALICE磁体的门。资料来源:欧洲核子研究中心

在3月31日的Rencontres de Moriond会议上,ALICE合作组织报告了在迄今为止最简单的碰撞系统中观察到的山脊相关现象。这一结果使物理学家离找到小型碰撞系统中类似QGP的集体现象的起源又近了一步。

在重离子对撞之外的对撞中首次观测到山脊相关是2010年由CMS合作在产生相对大量粒子的”高倍率”质子对撞中进行的。不久之後,CMS、ALICE和ATLAS也在质子和铅核的碰撞中观察到了这种现象。这些观察结果让人感到惊讶,因为这种碰撞系统被认为太小太简单,不可能产生类似QGP的集体行为。进一步的研究表明,观察到的山脊关联确实是集体性质的,但在这些较小和较简单的系统中支撑这种集体行为的确切机制仍有待确定。

沿着两个角度方向的粒子对(纵轴)的数量。在山峰两侧的近侧可以看到一个山脊状的形状。资料来源:ALICE合作组织

在其最新的研究中,ALICE合作组织着手调查山脊相关性是否也发生在”低倍率”质子碰撞中,这些碰撞产生的粒子数量相对较少。ALICE的研究人员分析了该合作组织在大型强子对撞机第二次运行期间记录的大量质子对撞样本,以研究山脊效应如何取决於对撞中产生的粒子的数量。然後,他们将一组低倍率碰撞中产生的粒子对数量沿着相对於碰撞轴的两个角度方向绘制在一张图上,并发现了一个明显的山脊状形状。

接下来,ALICE团队研究了与山脊相关的粒子对的数量是如何随倍率变化的,并将结果与大型电子-正电子对撞机(LHC的前身)的ALEPH实验所记录的电子-正电子碰撞的先前结果进行了比较。这一比较表明,对於相同的倍率,质子对撞中的山脊相关比电子-正电子对撞中推导出的山脊相关更强,在後者中迄今还没有看到山脊相关现象。

这些新的ALICE结果以及基於大型强子对撞机第三次运行数据的未来研究有助於物理学家确定在小型碰撞系统中支配集体行为的机制。

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