粒子物理學的“標準模型”認為，在超過1萬億攝氏度的溫度下，質子和中子也會“熔化”，變成夸克和膠子組成的電漿，這種夸克-膠子電漿就是“夸克湯”。
基本介紹
- 中文名：夸克濃湯
- 實質：夸克和膠子組成的電漿
- 條件：1萬億攝氏度的溫度下
- 發現：1964年
簡介,發現過程,金離子爆出超級高溫,製造過程 “相對論速度”,後續研究,未來套用,
簡介
1964年，美國物理學家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單元——Quark組成的。它們具有分數電荷，是基本電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2。
夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在該書中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。他認為，這適合他最初認為“基本粒子不基本、基本電荷非整數”的奇特想法，同時他也指出這只是一個笑話，這是對矯飾的科學語言的反抗。另外，也可能是出於他對鳥類的喜愛。
發現過程
金離子爆出超級高溫
金離子爆出超級高溫
創造出這個奇蹟的是位於紐約的美國能源部布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的科學家。他們用巨型粒子對撞機對撞金元素離子，製造出了“超級大爆炸”。這場大爆炸只持續了幾毫秒。但正是這幾毫秒的爆炸，讓他們製造出了有史以來實驗室中的最高溫度———4萬億攝氏度。該實驗室的物理學家斯蒂文·維多（Steven Vigdor）說，“這么高的溫度足夠熔化質子和中子”，而把物體變成一種叫“夸克湯”（也叫“等離子湯”）的物質。這種物質非常接近於宇宙大爆炸之後的幾微秒時宇宙的狀態。雖然整個過程時間不長，但已經可以給物理學家不少猛料，讓他們可以在未來的幾年時間裡好好研究宇宙為什麼會形成，以及是怎么形成的之類的問題。
製造過程 “相對論速度”
在物理模型預測“夸克湯”的存在之後，科學家們就開始想要在實驗室中製造這種物質。不過，要達到超過1萬億攝氏度的高溫可不容易，方法之一就是把重原子核加速到非常高的速度，讓它們相撞。擁有重原子核的物質都是重金屬，包括鉛、金等等。美國科學家則使用金。
上世紀八九十年代，歐洲粒子物理研究所嘗試用超級質子同步加速器製造“夸克湯”。2000年，這個研究所宣布，已經有間接證據證明他們製造出了“夸克湯”。而近日，美國的科學家則宣布他們已經製造出了“夸克湯”。美國科學家的利器是相對論重離子碰撞機（RHIC），RHIC的加速器全長3.8千米，深埋在紐約市安普頓區3.6米的地下。它設計的目的就是通過金離子之間數十億次的碰撞，造成很高的溫度。RHIC可以把重離子加速到“相對論速度”。所謂“相對論速度”就是產生明顯相對論效應的速度，一般認為這要求超過光速的1/10。在歐洲的大型強子對撞機投入運行之前，RHIC是世界上最強大的對撞機。
今年，RHIC終於製造出了4萬億高的高溫。這個溫度究竟有多高呢？維多說，作為比較，質子和中子“熔化”的溫度是2萬億度，而一顆典型的2型超新星的核心的溫度也是2萬億度。相比之下，太陽中心的溫度低多了，只有2000萬度；而讓鋼熔化僅需要1800℃。我們所處的宇宙，其平均溫度只比絕對零度高0.7℃。
後續研究
物理學家當然不滿足於僅僅製造出“夸克湯”，研究它的性質才是關鍵。
物理學家想要尋找的是微小的不規則現象，這樣可以解釋物質是如何在“夸克湯”中積聚，最終形成現在的宇宙的。
維多說：“設計RHIC的目的就是製造出宇宙剛誕生時的溫度。”他表示，經過計算，科學家認為4萬億攝氏度已經很接近這個溫度了。維多的小組相信他們正在再造宇宙大爆炸開始時的情形———夸克和膠子都泡在“一鍋湯”里，並逐漸凝固成“強子”。強子是夸克、膠子等粒子聚集的產物，包括重子和介子。它是建造我們宇宙的大部分物質的材料。
在這幾毫秒的時間裡，發生了一件重要，同時也難以理解的事情———物質和反物質之間出現了某種不平衡，物質占據了優勢。如果沒有這種不平衡，物質和反物質會相互反應，雙雙湮滅———這么一來，我們的宇宙變成一個沒有物質，只有能量的空曠地帶。
今年晚些時候，物理學家將試圖通過歐洲的大型強子對撞機碰撞和融合離子，以造成更高的溫度。大型強子對撞機比RHIC還要強大，所以它可能“複製”出的宇宙時刻甚至比紐約人“複製”出的還要更早。
未來套用
除了理論研究，這項研究的成果還可能被用在更加實用的技術領域，比如製造更小巧、更快速和更高效的計算機。維多的研究小組中另一位理論物理學家迪米特里·卡扎澤夫（Dmitri Kharzeev）表示：“我們的目標是讓電腦不但能夠操作電流，還可以操作夸克旋向。”不同的夸克有不同的旋向，如果能夠理解這種機理，可能會讓科技人員利用它造成更加小巧和強大的信息處理系統。
現在有一種叫“石墨烯”的納米材料能夠造成夸克的對稱旋轉，科學家們構想可以用石墨烯造就超級小巧，超級強大的計算機。卡扎澤夫表示，他們還在考慮套用其他的粒子完成類似的任務。
