夸克-膠子漿

夸克-膠子漿（Quark-Gluon Plasma,QGP）是一種量子色動力學下的相態，所處環境溫度與密度極高。據信這種狀態存在於宇宙誕生後的最初20或30微秒。歐洲核子研究中心（CERN）所屬的超級質子同步加速器的實驗首先嘗試創造出QGP，時間大約是1980年代與1990年代，而且可能已達成部分的成就。目前，布魯克哈芬國家實驗室的相對論性重離子對撞機（RHIC）的實驗正接續這項工作。CERN的新型實驗——大型離子對撞實驗（ALICE）已經（約在2007至2008年）在大型強子對撞機（LHC）展開。

基本介紹

• 中文名：夸克-膠子漿
• 外文名：QGP
• 學科：量子色動力學
• 屬性：相態
• 環境：極高溫與極高密度
• 首次創造時間：1980年代與1990年代
• 組成：夸克與膠子
• 狀態：夸克與膠子的色荷被禁止

基本介紹

夸克-膠子漿顧名思義含有夸克與膠子，如同普通（強子）物質。這兩種QCD的相態不同處在於：普通物質里，夸克要不是與反夸克成雙成對而構成介子，或與另兩個夸克構成重子（例如質子與中子）。在QGP，相對地，這些介子與強子失去了身份，而成為更大一坨的夸克與膠子。在普通物質，夸克是呈現色約束的；在QGP，夸克則不受約束。

為什麼這是種粒子漿態？

電漿是一種物質，其中電荷因為其他移動的電荷存在而被禁止；換句話說，庫倫定律需被修改來產生一項和距離相依的電荷。在QGP中則是夸克與膠子的色荷被禁止。QGP則成為普通漿體（電漿）的類比。此外尚有些不相似之處，肇因於色荷是非阿貝爾式的（non-Abelian），而電荷是阿貝爾式的。

怎樣做理論方面的研究？

這個差異的一個結果為色荷太大以致於無法進行微擾計算，而微擾計算卻是量子電動力學（Quantumelectrodynamics，簡稱QED）的支柱。因此，探索QGP理論的主要理論工具是晶格規範理論（latticegaugetheory）以及AdS/CFT對應。大約是170MeV的轉換溫度（transitiontemperature）首先為晶格規範理論所預測。自此，晶格規範理論也被用來預測這類物質的其他性質。

怎樣在實驗室創造出來？

QGP可以在一個170電子伏特的溫度（能量級數，請注意此能量並不是粒子束撞擊所釋出的能量）。此情況可以在實驗室中以撞擊兩個大型原子核達到如此高的能量。科學家們在歐洲核子研究中心（CERN）和布魯克海文國家實驗室（BNL）利用金和鉛的原子核進行以上的撞擊實驗。

怎樣和物理主軸接軌？

量子色動力學（QCD）是標準模型理論的一部分，此理論和電弱相互作用和中微子有關。在現時，量子電動力學和電弱相互作用以經備人測試和證實了。

夸克膠子混合態

美國Brookhaven國家實驗室RHIC實驗發現了新的夸克膠子混合態。 由夸克組成的例子主要有由三個夸克所組成的重子(例如質子和中子)和由兩個夸克所組成的介子。而所有的重子統稱為強子，是構成原子的主要粒子。這些夸克藉由膠子而結合在一起。美國Brookhaven國家實驗室的相對論性重離子對撞機(RelativisticHeavyIonCollider,RHIC)便是利用將金原子加速至100GeV然後使兩個金原子正面對撞，用40TeV的能量試圖使夸克和膠子分離，形成所謂的夸克膠子電漿態，以模擬宇宙在質子出現前(pre-protonicuniverse)的情形。

根據RHIC四個實驗組的結果，金原子對撞所產生的強大能量，產生了一團高溫高密度的火球。它的密度相當於原子核密度的一百倍，大小大約為5fm(1fm=10^-15m)，溫度大約為10^12度，生命期大約只有10^-24秒。科學家發現這團“火球”的確是由夸克及膠子所構成的，不過彼此之間的作用卻比之前所猜想的像氣體一般的弱相互作用(這就是被稱為電漿態的原因)大不相同，而是具有較強作用力，類似液體一般的性質。

科學家觀察發現這種新型態的夸克膠子液體具有很低的黏滯性，所以類似古典流體的性質，所以有可能可以利用流體力學的方式來計算其性質。不過他們目下一個實驗目標將是測量這團火球的熱容量及其對衝擊波的反應。

電漿的實驗

確定夸克-膠子電漿(quark-gluon plasma)態的存在，是目前原子核物理研究最重要的目標之一，CERN的一組研究人員利用重離子加速器得到了這方面實驗的最新結果。 在高能重離子碰撞實驗中，碰撞產生的大量能量使得原子核被加熱至極高的溫度，此時核內的中子、質子(甚至當中的夸克(quark))以及碰撞過程產生的其它粒子，可視為一種極高溫的氣體。物理學家預測在這種環境之下可能產生夸克-膠子電漿態。稍早的一些實驗結果對於這個預測給出了一些較間接的驗證，但CERN的一組研究人員利用加速鉛離子撞擊靜止的鉛靶，測量到了理論預期的由夸克-膠子電漿互動作用產生的光子。理論學家相信，這些光子事件極有可能是夸克-膠子電漿態存在的直接證據。