RHIC 夸克湯中對稱遭破壞的「泡沫」

'Bubbles' of Broken Symmetry in Quark Soup at RHIC (w/ Video)
http://www.physorg.com/news185451423.html

February 15, 2010 Enlarge

在 Relativistic Heavy Ion Collider （RHIC，相對重離子對撞機，一座圓周長 2.4 哩的粒子加速器，位於美國能源部的 Brookhaven 國家實驗室）的科學家報告在熱夸克湯中深刻對稱轉變的首個暗示：反夸克（antiquarks）與膠子（gluons）在 RHIC 最高能的對撞中產生。尤其是，這些新結果（發表在 Physical Review Letters 期刊上）指出，在熱湯內形成的「泡沫（bubbles）」也許本質上就不遵守所謂的「鏡像對稱（mirror symmetry）」，那通常描繪夸克與膠子交互作用的特性。

"RHIC 近乎光速的重原子核對撞被設計成用來重新創造（在微小的尺度下）早期宇宙的狀況。這些新結果也因此指出，RHIC 也許擁有獨特機會在實驗室中測試某些對稱改變泡沫的關鍵特徵，據推測那可能在嬰兒宇宙的演化中扮演重要的角色，" Steven Vigdor 說，Brookhaven 的核子與粒子物理學副實驗室主任，他在 RHIC 監督研究。

物理學家已預測在接近物質相變的極端溫度下，發現這種「破缺」對稱（"broken" symmetry）泡沫（或局部區域 (local regions)）的可能性會愈來愈高。根據這些預測，在這些泡泡內的物質會展現出與周圍物質不一樣的對稱性 -- 或表現出某種空間、時間與粒子類型的單純轉變（simple transformations）。除了在 RHIC 探測到對稱違逆（symmetry violations）之外，科學家還假定在宇宙更早期的階段，類似的對稱改變泡沫會被創造出來以協助建立我們這個偏好物質更勝於反物質的世界。

RHIC 最高能的對撞創造出這種極端環境，那或許剛好能夠產生這種改變對稱的局部區域：攝氏幾兆度的溫度（約比太陽中心熱 25 萬倍），以及一種核子物質的新「相」變，稱為夸克--膠子電漿（quark-gluon plasma）。此外，當對撞中的原子核彼此接近時會產生一種超強磁場，使這種改變對稱的效應更容易被偵測。

現在，來自 RHIC STAR 偵測器的早期資料暗示鏡像對稱，或稱為宇稱（parity），出現違逆。此對稱規則指出，不管是直接或著透過鏡子觀看，這些事件應當以完全相同的方式發生，並且沒有方向依賴性。但 STAR 觀察到，除了在 RHIC 最前頭的碰撞外，其餘粒子均浮現出一種不對稱的電荷分離（charge separation）：這些觀察指出，在一給定的碰撞事件中，帶正電的夸克「偏好」以平行於磁場的方式浮現，而帶負電的夸克則偏好以相反方向浮現。因為這種情況若透過一面鏡子反映，這樣的偏好看起來可能會顛倒，所以它顯然違反了鏡像對稱。

"先前針對「夸克與膠子間由強作用力（strong force）所統治的系統」的所有研究，全都已在非常高的精確度下被發現，每個事件與它們的鏡像反映，均以完全一樣的速率發生，且沒有方向依賴性，" Vigdor 說。"所以，STAR 的觀測真的令人好奇。"

在 RHIC，宇稱違逆泡沫在隨機的情況下形成，或許泡沫中具方向性的電荷分離在不同位置上。將諸多事件平均後，顯然看不到宇稱違逆，即使如此，違逆仍局部地出現在每個事件中。雖然為量子色動力學（quantum chromodynamics，QCD，描述強核力的理論）所允許，但這種局部強烈的宇稱違逆卻未曾直接被偵測到。

"在高能原子核對撞中觀察這種效應的關鍵是，研究自碰撞中浮現的粒子的關聯性，" LBNL 的 Nu Xu 表示，STAR 共同研究的發言人。

該理論指出，具相同電荷符號的粒子，應當傾向從這樣的局部宇稱違逆區域，以相同方向發射出來，在碰撞中不是以平行於磁場的方向出現，就是以不平行於磁場的方向出現，而符號相異的粒子則應從相反方向發射。

"在已預測類型的已發射帶電粒子間，我們觀察到關聯性：當碰撞出現從迎頭撞上到更加輕輕擦過的變化時，對於方向的偏好程度也隨之增加，" Xu 表示。

STAR 資料也指出另一種對稱形態 -- 稱為電荷宇稱守恆（charge-parity (CP) invariance） -- 的局部性破壞。根據這種基本的物理學原理，當能量轉變成質量或質量變能量時，根據愛因斯坦著名的公式 E=mc^2，相等數量的粒子以及帶相對電荷的反粒子必須被創造或消滅。如果 CP 對稱性在宇宙演化某個非常早期的時間上未被破壞時，在大霹靂中創造出來的、數量相等的粒子與反粒子將接著成對消滅留下一個沒有物質的世界。

雖然某些 CP 對稱的小型違逆已在先前的實驗室實驗中被發現，不過這些違逆太過微弱以致於無法說明留存在今日宇宙中的物質數量。同樣地，STAR 的可能局部 CP 違逆徵象也無法解釋今日世界中物質的總體優勢，但對於這樣的對稱違逆如何發生它們也許能提供洞見。

Vigdor 表示在 STAR 觀察到的特徵就品質而言與熱夸克湯中對稱破壞域（symmetry-breaking domains）的預測前後一致，在 RHIC 證實這些效應並理解這些「域」的破缺對稱如何形成，或能幫助科學家了解宇宙某些最根本的謎題，而且也會是未來 RHIC 實驗中受到熱切研究的主題。

他表示，他們將看看訊號是否在較低碰撞能量中消失，在這裡產生的物質因為不夠熱所以無法轉變成「夸克--膠子電漿相」。這些未來研究將會更進一步檢查這項早期研究、將進行更普適可行的試驗以說明觀察到的效應，同時也將探索範圍更廣闊的相關現象。

※ 系列論文詳見 Physical Review Letters 網站，相關報導：

＊ 'Perfect' Liquid Hot Enough to be Quark Soup (w/ Video)
http://www.physorg.com/news185451161.html

＊ How does the proton get its spin?
http://www.physorg.com/news185652383.html

＊ LHC 粒子回來啦！
＊ 在強磁下超冷電子的奇特對稱（E8）
＊ NIF 核融合更進一步：百萬焦耳雷射