夸克胶子等离子体与重离子对撞

0、前言

物理中对于物质的研究，总体上可以分为两类：物质的结构和物质的状态。前者是研究物质结构和组成，比如原子是由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，研究对象主要是单粒子体系；后者是研究大量粒子聚集所形成的物质的状态，比如宏观中水的液态和固态。研究对象主要是多粒子系统。

凝聚态物理是典型的多粒子体系物理，其研究对象都是由原子或分子构成的物质，因此对此类物质状态的研究本质上属于对量子电动力学（QED）可能形成的相的探研究。比如说，水存液态和固态等，这本质上是因为量子电动力学允许这样的状态存在。在原子分子尺度及其之上的世界是由量子电动力学主导，而在原子核及其之下是由量子色动力学(QCD)主导。一个自然的想法就是，由QCD主导的物质可能形成哪些状态？该怎么去研究QCD物质的状态呢？

1、夸克胶子等离子体

不同于QED，QCD在低能下有两个非常特殊的性质：

夸克禁闭（confinment），又叫色禁闭。在QCD中，夸克和胶子是基本的自由度，但是在低能下，实验中能观测到的都是夸克和胶子构成的不带色荷（类似于电荷的一种守恒量）的强子（包括重子和介子，质子和中子就属于重子）。由于QCD在低能标区耦合常数不是小量，因此在QED以及QCD高能标区域使用的微扰法此时就无法使用，虽然有格点QCD可以进行暴力计算，但是到目前为止夸克禁闭还无法通过QCD直接推导出来。夸克禁闭本质上是来源于QCD的非微扰性质。
手征对称性自发破缺。u夸克和d夸克的质量是非常小的，分别是 $3\text{MeV}$ 和 $5\text{MeV}$ ，但是由两个u夸克和一个d夸克构成的质子却有 $1000\text{MeV}$ 左右。另外，通过分析介子谱可以发现， $\pi$ 介子的质量远远小于其它介子。对这个现象做出的合理解释就是QCD中的手征对称性自发破缺，其结果就是夸克获得了一个额外的动力学质量， $\sim 330\text{MeV}$ ，再根据Goldstone定理，每一种连续对称性的破缺都会产生零质量的玻色子，此处即为 $\pi$ 介子（ $\pi$ 介子实际具有一个小的质量 $\sim 130\text{MeV}$ ，这是因为夸克的质量并不严格为零。计算表明，如果夸克的质量严格为零，则 $\pi$ 介子的质量也会严格为零）。

以上是QCD在低能下非常重要的两个性质，但是格点QCD和相关模型计算显示，当提高系统温度或者增加密度，QCD物质会发生两种相变：手征相变和退禁闭相变。前者对应着手征对称性恢复，即动力学质量变为零，夸克又变为接近零质量的粒子；后者对应着夸克禁闭消失，也就是夸克（在一定程度上）可以自由运动，而不仅仅被限制在核子内部运动。综合这两种相变，人们相信，在高温高密的区域QCD物质会处于一种以夸克-胶子为基本自由度的状态，我们把这种状态叫做夸克胶子等离子体。

QCD物质相图。横坐标是重子数化学式，对应于净重子数（正重子数-反重子数），纵坐标是温度。

通过QCD相图可以看到，在低温低密时，强子气是QCD物质存在的主要形式。当提高温度时，会形成夸克胶子等离子体。另外，在低温高密时（QCD相图右下方棕色区域），QCD物质还会形成色超导态（类比于电超导）。当然，由于在我们感兴趣的区域到目前为止还无法通过QCD直接计算，实际上相图中的大部分区域都是通过模型计算以及与QED的类比和合理猜想得到的，因此QCD物质是否真的能形成这样的状态还得通过实验进行验证。

2、相对论性重离子对撞

相对于核子（质子和中子）的能量和密度，我们生活中物质（即QED物质）所具有的温度和密度是非常低的，为了研究上一节中QCD相图是否合理，就需要在高温或者高密的物质中进行实验。那么自然界中存在着高温或者高密或者高温高密的QCD物质吗？答案是有！

宇宙大爆炸初期。通过对宇宙大爆炸模型和粒子物理标准模型的研究，大家相信，在宇宙大爆炸初期，物质就是处在高温高密的环境中。当然在初期正反物质数量应该是相等的，因此对应着QCD相图中零化学式高温的区域（即纵轴）。参考下图。
中子星。中子星内部压力密度非常高，普通的物质无法稳定存在，通过与QCD相图对比，此处很有可能处于QCD色超导态。

对于宇宙大爆炸初期的状态现在只能通过各种遗留信号分析，比如微波背景辐射，

而对中子星内部的状态的研究同样非常困难，虽然可以通过中子星合并等事件分析内部状态，但是这种事件并不常有。那么有没有一种办法可以能自由控制系统状态呢？答案也是有的，那就是重离子对撞实验！

重离子对撞最早是由李政道先生在1970年提出的，通过加速重原子核——比如金核——到接近光速进行对撞，此时的原子核的运动是相对论性的，能量非常高，以此从真空中激发出大量的粒子。通过控制对撞的能量可以调节形成的QCD物质的温度和密度。李政道先生还特地邀请了画家李可染先生于1986年画了一幅画作：

这幅画后来被做成雕像，目前就坐落在清华科技园

3、重离子对撞运行试验

目前，世界各地有不同的重离子对撞实验组同时运行试验：

欧洲核子中心（CERN）的LHC。很多人都知道LHC发现 Higgs粒子，但是却很少有人知道LHC上也同时运行着重离子对撞实验。LHC上一共有四个对撞点，其中有两个是做重离子对撞相关的探测和研究
美国布鲁克海文国家实验室RHIC(相对论性重离子对撞，Relativity Heavy Ion Collidor)实验，其中的STAR和PHENIX两个实验组均做与重离子对撞相关的研究
德国亥姆霍兹重离子研究中心
俄罗斯杜布纳联合核子中心
中国科学院近代物理研究所，位于兰州
……

在重离子对撞中，核子碰撞后系统的演化如下图所示：

原子核形状近似为球体，原子核被加速到接近光速时，其在运动方向由于洛伦兹收缩变的非常窄，对撞时系统的形状为椭球状。由于对撞，系统上升到非常高的温度，有可能形成夸克胶子等离子体，系统内部的压强非常大，因此迅速膨胀冷却。由于温度降低，系统中的夸克胶子又重新结合形成强子，最终到达探测器。通过对最后强子的分析，就有可能分析出中间的状态。关于RHIC中的实验下面有一段视频：

https://www.zhihu.com/video/1004874896316514304

4、总结与展望

通过上述的分析，看似我们对QCD相图有比较清晰的认识，但是实际上，除了格点QCD能直接计算的零化学式区域外，其它区域的状态我们并没有直接完整的认识。但是，越是对QCD相图确定的区域少，我们能做的研究工作就越多,QCD物质的相结构比QED物质相结构更加丰富，物理内涵也更加多样。未来的研究也更令人着迷。

最后，用李政道先生在1996RHIC暑期学校中做的一首诗作为结尾：

To know the smallest, we need also the largest!

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来源：知乎 www.zhihu.com

作者：子乾

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