中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2008級博士研究生羅曉峰與美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室和印度塔塔基礎(chǔ)研究院的科學(xué)家合作，在世界上首次確定了從強(qiáng)子物質(zhì)（即普通物質(zhì)）到夸克—膠子等離子體的相變（即狀態(tài)轉(zhuǎn)變）溫度約為175百萬電子伏特，相當(dāng)于2萬億攝氏度。今天出版的《科學(xué)》雜志以《量子色動(dòng)力學(xué)相圖的標(biāo)度》為題，發(fā)表了他們的研究成果。

專家形象地比喻，宇宙初生時(shí)，億萬物質(zhì)是一鍋由自由的夸克和膠子組成的濃稠的“湯”，俗稱“夸克湯”，即夸克—膠子等離子體。隨著宇宙膨脹，夸克—膠子等離子體迅速冷卻，質(zhì)子、中子及其他正常物質(zhì)從中“析出”：膠子負(fù)責(zé)傳遞夸克之間的色作用力，夸克通過交換膠子而結(jié)合在一起形成原子核等物質(zhì)。這就是量子色動(dòng)力學(xué)理論。尋找夸克—膠子等離子體存在的證據(jù)并研究其基本性質(zhì)，對研究早期宇宙具有重要意義。

在通常情況下，夸克和膠子被強(qiáng)相互作用力禁閉在強(qiáng)子中。強(qiáng)子是由夸克組成的粒子，包括重子（含3個(gè)夸克，如質(zhì)子和中子）和介子（含1個(gè)夸克和1個(gè)反夸克）。按點(diǎn)陣量子色動(dòng)力學(xué)理論預(yù)測，物質(zhì)存在一個(gè)“關(guān)鍵點(diǎn)”，普通強(qiáng)子物質(zhì)的狀態(tài)（即“相”）和夸克—膠子等離子體在該點(diǎn)能夠共存并互相轉(zhuǎn)化。2000年以來，科學(xué)家們利用美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室中的相對論重離子對撞機(jī)（RHIC）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了一些夸克—膠子等離子體形成的證據(jù)，并試圖尋找這一“關(guān)鍵點(diǎn)”。

日前，RHIC對撞機(jī)將兩束金原子核加速到接近光速，使它們發(fā)生碰撞，形成了高能量密度和高溫的夸克—膠子等離子體，冷卻后產(chǎn)生了大量粒子。中美印科學(xué)家組成的一個(gè)合作小組，研究分析了對撞機(jī)上STAR探測器采集到的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在世界上首次把測量到的凈質(zhì)子數(shù)（質(zhì)子數(shù)減去反質(zhì)子數(shù)）分布的特征，與格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，從實(shí)驗(yàn)上直接確定了重子數(shù)密度為零的情況下從強(qiáng)子物質(zhì)到夸克—膠子等離子體的相變溫度。

該相變溫度是強(qiáng)相互作用物質(zhì)相圖的一個(gè)基本標(biāo)度（類比于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，100攝氏度是水的相圖一個(gè)基本標(biāo)度），對研究強(qiáng)相互作用物質(zhì)的整體性質(zhì)以及相變結(jié)構(gòu)有著重大的科學(xué)意義。論文作者之一、布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室相對論重離子對撞機(jī)STAR實(shí)驗(yàn)國際合作組發(fā)言人許怒說，他們所采用的研究方法為定量研究重離子碰撞中產(chǎn)生的高溫高密物質(zhì)性質(zhì)開辟了新方向，也為量子色動(dòng)力學(xué)理論在大尺度和低動(dòng)量傳遞區(qū)域（即非微擾區(qū)域）的檢驗(yàn)提供了一種新途徑。

《科技日報(bào)》