纽约州立大学石溪分校物理学家 Gabor David 和 Axel Drees 概述了相对论重离子对撞机 (RHIC) 中氘核-金碰撞中喷流能量损失信号如何支持这些碰撞产生夸克胶子等离子体小斑点的观点，夸克胶子等离子体是一种弥漫在早期宇宙中的物质形式。(凯文·考夫林/布鲁克海文国家实验室)
近日，对相对论重离子对撞机(RHIC)上PHENIX实验数据的最新分析揭示了重要发现：即使是非常小的原子核与大原子核的碰撞，也可能产生夸克胶子等离子体(QGP)的微小斑点。这一研究成果已发表在《物理评论快报》上。
QGP是一种由自由夸克和胶子组成的物质，科学家认为，这种物质在宇宙大爆炸后几分之一秒内就渗透到了宇宙中。RHIC通过高能碰撞金离子(被剥离电子的金原子核)，通常会“熔化”这些核的组成部分来产生QGP，从而供科学家研究其性质。
然而，物理学家最初认为，小离子与大离子碰撞不会产生QGP，因为小离子沉积的能量不足以熔化大离子的质子和中子。但PHENIX实验的证据早已表明，这些小型碰撞系统产生的粒子流模式与QGP微小斑点的存在相一致。此次新发现提供了第一个直接证据，表明RHIC小型碰撞系统中产生的高能粒子在离开时会损失能量并显著减速。
PHENIX合作项目发言人、日本理化学研究所仁科加速器科学中心物理学家Yasuyuki Akiba表示：“我们首次在小型碰撞系统中发现高能粒子的抑制现象，这是QGP的两个主要证据之一。”
喷射淬火是QGP的标志之一。当RHIC离子束中的夸克或胶子与沿相反方向行进的束流中的核粒子中的夸克或胶子发生强烈碰撞时，就会产生喷流。如果碰撞形成了QGP，那么被踢出的自由夸克或胶子会与构成等离子体的夸克和胶子发生相互作用，导致能量损失，从而使喷流到达探测器时的能量只有其原始能量的一小部分。
为了寻找这种抑制，物理学家首先通过数学方法估算出金-金碰撞中可能产生的高能粒子数量。然而，这种方法在小型碰撞系统中并不完全有效。当PHENIX科学家在小型碰撞系统中观察到类似的流体动力学流动模式时，这暗示QGP中可能存在微小液滴，他们开始在这些事件中寻找喷流抑制。
结果令人惊讶：虽然最中心的粒子(如氘核)与金离子的碰撞表现出喷流抑制的迹象，但更外围的碰撞似乎显示出能量喷流的增加。为了解释这一现象，物理学家转向了一种更直接的方法——计算所谓的“直接”光子。
通过计算直接撞击探测器的光子数量，PHENIX科学家可以直接测量碰撞的中心性，并确切知道有多少高能夸克或胶子被释放。结果发现，如果没有QGP，光子和高能粒子的探测量应成比例。但如果在中心碰撞中探测到的高能喷流粒子数量明显低于相同能量的直接光子数量，则可能表明存在QGP，从而抑制了喷流。
这一新方法完全依赖于可观察的量，避免使用理论模型。当使用直接光子作为碰撞中心性的精确测量时，可以清楚地看到中心碰撞中的抑制现象。
下一步，研究人员计划将同样的方法应用于其他小型碰撞系统，以进一步弄清这种抑制的起源，并确认目前的理解或排除相互竞争的解释。
