超越大爆炸: 解码物质和合并粒子的物理

作者: 苏伦杜·古普塔、拉吉夫·加瓦伊、尼尔马尼·马图尔和索门·达塔

物理学中持久的问题之一是理解宇宙是如何从大爆炸后的一个点演化而来的。世界各地的科学家一直在努力重现大爆炸后可能存在的条件。在最初的几微秒内发生的事情对于理解自然是如何工作的至关重要。

它是在最初的几微秒内，就像我们所知的那样，被创造出来的。长期以来，原子被认为是物质最基本的粒子。但是很快，原子被 “分裂” 了，质子，中子和电子的世界被揭示了。我们现在知道，即使是在原子核中发现的质子和中子也不是基本粒子。它们由夸克和胶子组成。

但是在正常温度下不可能产生夸克和胶子。只有在非常特殊的条件下才能看到它们。它们在大爆炸后立即出现，其他基本粒子也是如此。夸克和胶子在几微秒内迅速结合形成质子和中子。

我们的一个小组现在正在试图弄清楚这种 “合并” 变成 “相变” 的条件-从夸克物质到核物质的变化。更具体地说，我们一直在尝试估计这种相变开始发生的夸克物质的温度和密度。我们的另一组正在寻找质子和中子等粒子的详细特性。

我们的研究纯粹是理论上的。使用量子场论，数学工具和大量计算，我们尝试估算转变温度和密度。早些时候也进行了此类尝试，但这些估计并不令人满意。

我和我的同事Rajiv Gavai一起开发了一种新方法来进行这些计算。估算涉及漫长而非常复杂的计算，甚至超级计算机也需要数年才能处理结果。

根据我们的结果，我们估计这种有趣的相变-夸克物质向核物质的奇异演化-发生的温度将接近2万亿摄氏度，而夸克物质的密度将是坍塌中子星中存在的密度的许多倍。

我们的计算目前正在通过美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机 (RHIC) 通过实验数据进行验证。在像这样的对撞机实验中，亚原子粒子在相反的方向上被加速到非常高的速度，与光的速度相当，并且被允许彼此碰撞。这些碰撞中释放的能量提高了核物质的温度，创造了类似于大爆炸后立即经历的条件。对撞机实验正在几个地方进行。其中最著名的是位于法国-瑞士边境欧洲核子研究中心设施的大型强子对撞机。

RHIC的初步结果非常有趣，似乎与我们的理论建议相似。最终的结果需要更多的时间才能出来。同时，我们正在进一步校准和扩展计算。我们正计划使用一种新的、更强大的超级计算机，它目前是世界上114最强大的计算机，将使我们对该系统有更好的了解。

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