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1、 27 25 卷第 5 期 ( 总 149 期 )?-qX :008马余刚对于我们身处的物质世界，现代物理学认为它是起源于约 150 亿至 200 亿年前的一次宇宙大爆炸。在宇宙的早期，物质的温度和密度都相当大，整个宇宙体系达到平衡。初始的宇宙间只有正反夸克、轻子、胶子等一些基本粒子形态的物质。随着体系的迅速膨胀，大约在几个微秒后，温度下降到几百 MeV（1 MeV 的温度大约相当于 1.161010K），产生了夸克 -胶子等离子体（Quark-gluon plasma, QGP）物质状态，之后随着物质的进一步膨胀和冷却，正反夸克对可以形成介子，三个夸克形成了中子、质子等，同时电子、光子和中微
2、子等轻子依然活跃在宇宙中。此时，早期处于大尺度自由运动状态的夸克、胶子由于夸克 / 胶子间的强相互作用就被囚禁在核子内，失去了大尺度自由活动的机会。用科学的术语说夸克被禁闭了。但是故事并没用结束。由于整个体系仍在不断膨胀中，结果温度很快下降。当温度降到 10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件， 它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到 100 万度后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体
3、系，成为我们今天看到的宇宙。宇宙大爆炸学说是现代宇宙学的主流学说，它认为我们今天所处的状态也只是宇宙演化的一个阶段。面对如此美妙的理论，我们不禁会问，我们还能在现今的世界中去认识了解早期的宇宙状态吗？那时的物质究竟与我们今天所处的物质状态有多大的不同？是不是我们能观测到很多奇特的物质，包括反物质呢？我们又如何去探测它？为了回答这些重要的科学问题，欧美国家相继建立了大型重离子对撞机，如位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（ Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）和欧洲核子中心的大型强子 对 撞 机（Large Hadron Collider, LH
4、C）。前者运行于 2000 年，后者运行于 2010 年，目前两者是当前国际上高能核物理研究的最大规模的科学研究装置。相对论重离子对撞机和 STAR 探测器20 世纪 70 年代末，李政道先生指出：20 世纪物理学存在两大疑难，其一是对称性丢失，其二是夸克禁闭，疑难的解决，可能与真空的结构有关。人们预期通过相对论重离子碰撞形成高温高密极端条件，改变真空的性质，从而解除夸克禁闭产生出一种在夸克层次上的新物质形态 夸克胶子物质或夸克 -胶子等离子体（QGP）。这种新物质形态的能量密度将比中子星内部更大，关于核物质的通常概念已不再适用，需要揭示出一些崭新的原理。这一预期一旦得到实验证实将给人们对宇宙
5、演化、星体的形成与性质、物质的微观结构与相互作用等许多方面的认识带来深远影响。正因为如此，相对论重离子碰撞的理论与实验研究形成了跨世纪物理学的一个最前沿的主流研图 1 宇宙演化的示意图（引自：D. E. Groom et al., Particle Data Group, The European Physical Journal C15（2000） 28 现代物理知识究领域之一。探寻夸克 - 胶子物质并研究其性质变成一个国际性的大科学。随着科学技术的迅速发展，现代高能重离子（重离子通常指的是重于 a 能用来加速的原子核）加速器上开展的核物理实验可以为研究宇宙早期物质形态提供一种有效途径。当然
6、这也是目前人们能够在实验室进行宇宙早期物质研究的唯一途径。RHIC 是当前国际上一个主要的核物理研究的大科学装置。自从 2000 年正式运行以来，在该装置上已经取得了一系列重要的科学成果。在 RHIC 装置运行的头几年，RHIC 上有 4 个大型探测器，它们分别是 BRAHMS、 PHENIX、PHOBOS 和 STAR 探测器。这 4 个探测器的设计有各自的特点，一方面是基于物理上的相互补充，同时兼顾在一定程度上能相互印证。随着实验数据的大量累积以及高效的分析，在 2006 年 RHIC 的 4 个实验组各自发表了对高能重离子碰撞产生的新物质形态的白皮书，概括了新物质形态的实验证据和相关性质
7、。4 个探测装置的其中一个大型探测器是螺旋管径迹探测器（ Solenoidal Tracker at RHIC，STAR）。所谓 STAR 探测器，是具有中心快度区域的全方位角接收度（| h| 5 GeV/c时， RCP仅有 0.3 左右，即 70% 的高横向动量的粒子被热密物质所淬火。从定量的计算中，人们可以提取热密物质的能量密度。另外，通过对直接光子的测量，人们可以提取热密物质的温度。实验的结果毫无疑问地发现，这种热密物质的能量密度和温度已经完全超过了格点 QCD 所预言的夸克 - 胶子等离图 5 2000 亿电子伏的金核 + 金核碰撞中的可测量强子的椭圆流参数 v2随横向动量pT的分布函
8、数（a）图）；图中， v2=cos2j，表征发射粒子在动量空间的各向异性程度，即碰撞火球是圆球形向外膨胀的，还是椭圆球形等形状向外膨胀的。它和系统的压力梯度、温度等参数相关，通过测量 v2，能够提供核物质系统的状态方程等基本信息（引自：The Frontiers of Nuclear Science A Long Range Plan，USA-DOE，2007）子体相变所需要的能量密度和相变温度。从上述的椭圆流和喷注淬火的实验结果，我们认识到 RHIC 碰撞中产生的物质是具有非常接近理想流体特征的集体流，这种集体流是部分子层次的，对应的物质是非常热密的。这一系列实验的结果已经无法用强子层次的模
9、型来解释。如果用专业的词汇说，RHIC 已经产生了强耦合的夸克 -胶子等离子体（sQGP），或被形象地称作为夸 克汤。在众多解释椭圆流的理论模型中，对于低横向动量粒子，流体动力学模型能非常成功地描述数据。早期是利用纯粹的理想流体力学模型，随后在流体力学中引入了粘滞系数，发现 RHIC 上形成的新物质非常接近于理想流体，其剪切粘滞系数和熵密度的比率（也称约化粘滞系数，它是一个表征系统接近于理想流体程度的物理量）非常低，接近 1/（4 p）。从弦论理论出发，发现已知的大量强耦合系统的粘滞系数和熵密度的比率不应该小于 1/（4 p）。这就是说，RHIC 中形成的 QGP 物质是一种十分接近理想流体状
10、的物质，这与早期理论上认为的 RHIC 将制造出弱耦合的夸克 -胶子等离子体（或称为类气体状的夸克胶子等离子体）相反。而要实现弱耦合的 QGP 物质需要远远更高能的重离子对撞来实现。值得指出的是，近年在欧洲核子中心的 LHC 上运行的质心能量为 27 万亿电子伏（2.7 太电子伏）的铅核 -铅核的对撞中，科学家也观测到了带电强子具有很大的椭圆流。 通过粘滞流体力学的拟合 ，人们提取出的约化粘滞系数似乎要大于 RHIC 能区的值，但仍然相当接近 1/（4 p）。这个最新的实验数据也说明了，即使在更热密的 LHC的强作用物质中仍然是强耦合的夸克 -胶子流体！图 7 表示了几种不同尺度物质的约化粘滞
11、系数随温度的变化关系，其中的最小值处对应于相变的临界点。QGP 物质的约化粘滞系数的温度依赖性测量是将 33 25 卷第 5 期 ( 总 149 期 )图 6 核修正因子 RCP随横动量 pT的分布。 RCP是对心碰撞的粒子产额（0 5% 中心度）和次边缘碰撞（40% 60%，（a）图）或边缘碰撞（60% 80%，（b）图）的、在归一到各自碰撞中心度两体碰撞数之后的产额比率，是测量中心碰撞产额压低的直接实验手段：如果 RHIC 中心碰撞和周边碰撞的物理特性一致，即没有形成致密物质，这个比率应该为 1；如果中心碰撞相对于周边碰撞有新的物理，即形成致密物质，部分粒子在穿过致密物质中被吃掉了，这个比
12、率将小于 1，小于 1 的程度和致密物质的体积、密度相关（引自：J. Adams, et al., STAR Collaboration, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 172302.）图 7 表示了几种不同尺度的物质的约化粘滞系数随温度的变化关系，其中各自的最小值处对应于各自的相变点。右边的曲线描述了零净重子密度的 QCD 物质的约化粘滞系数。在相变点附近，QGP 的约化粘滞系数非常小，只有弦理论极限的 1 3 倍。将来的实验将精确地决定约化粘滞系数与温度依赖性。如果流体状的 QGP 在高温时存在准粒子，其约化粘滞系数将上升（引自：Report to the Nucl
13、ear Science Advisory Committee, Implementing the 2007 Long Range Plan, January 31, 2013）来 RHIC 物理和 LHC 物理的一个重要科学目标。展望RHIC 对撞机的重离子束流在亮度增强、探测器性能升级、数据获取速度提高之后，其采集的海量数据将进一步增加统计，这些高统计的数据将使得我们能够更好地定量地理解 QGP 性质。特别是从RHIC 的低能端扫描 实验的结果 ，使人们有可能来确定 QCD 相变的临界点并确定强子相 -夸克相的边界。目前，STAR 合作组已经有一些初步的能量扫描数据和实验的信号表明在 11G
14、eV 附近可能出现QGP 相变的临界点（如图 8（b）所示）。前面也已经提到（图 4），在高温、低重子化学势时从强子相到夸克相是一种平滑过渡，相反在能量较低时有可能存在一级相变的临界点，如图 4（c）实点所示。这个临界点类似于图 8（a）中所示的水从液态到气态的临界点，此时水的温度和压强都不能太高。在实验上对 QCD 相变临界点和相边界的确定将有十分重要的意义，一方面它将大力提升人们对高温高密QCD 物质的认识，并对格点 QCD理论的检验起到重要作用。另一方面，沿着 LHC 能区，人们预期此时的 QGP 的寿命更长，因此可以进一步研究 QGP 的性质。通过RHIC 的能量扫描和 LHC 重离子
15、对撞实验，科学家们有望能够定量地测量 QGP 物质的输运性质（如约化粘滞系数）和部分子能量损失随温度的演化 。当然，在低能段 ( 几个 GeV/c 几十 GeV/c) 的一些新建的装置也在全球范围内进行，如德国的 FAIR，俄罗斯的 NICA，以及将来中国的强流离子加速器(HIAF) 等。这些装置的最终建成 34 现代物理知识也将对确定 QCD 相变临界点和研究低温高密的核物质作出重要贡献。另外，由于 RHIC、LHC 上产生的夸克胶子物质具有近似相等的正物质与反物质，因此它们又是研究反物质产生和寻找奇特强子态的理想场所。STAR 合作组的中国科学家与国外合作者们已经发现了首个反物质超核（反超
16、氚， Science，328，58（2012）和迄今观测到的最重的反物质原子核（反氦 4，Nature，473，353（2011）， 表明了 RHIC 装置在反物质探索上的独特优势。LHC 上近期的数据也证实了以上两个反核的存在。因此，利用高能重离子对撞机，研究物质 -反物质对称性破缺也是未来的一个方向。值得指出的是，不久前由 CERN 反氢原子实验组获得的突破性进展是激动人心的事件，图 8 （a）水的相图；（b）夸克胶子等离子体的相图。RHIC 200 GeV/ c 时，物质与反物质近似相等，即净重子化学势接近零，其实验结果位于相图的左侧。随着能量的下降，反物质含量减小，重子化学势升高，因此 RHIC 的低能数据可以用来研究 QCD 的相图。图（ a）的水的临界点（实点）已经由实验测量得到；而图（b）的 QCD 临界点（实点）目前还只是理论上的预言，临界点附近的能量是科学家们估测的 RHIC 能量扫描所可能
