揭示夸克-胶子 plasma 的秘密：新的直接证据浮现

最初，专家们认为较小的离子与较大的离子相互作用不会产生QGP，因为较小的离子缺乏足够的能量来破坏较大离子的质子和中子。然而，来自PHENIX实验收集的证据早已表明，这些较小的碰撞系统生成的粒子流动模式与QGP微小斑点的存在一致。最近在《物理评论快报》中发表的新发现加强了这些微型QGP液滴的概念，提供了直接证据表明在RHIC较小碰撞系统中产生的高能粒子在退出时可以显著失去能量并减速。

“我们首次观察到在较小的碰撞设置中高能粒子的能量抑制，这是QGP的关键指标之一，”PHENIX合作组织发言人、日本RIKEN西菜加速器科学中心的物理学家秋叶康之说。

喷流抑制表明QGP

自2000年RHIC作为核物理研究用户设施开始运行以来，寻找高能粒子喷流的迹象——称为喷流“熄灭”——一直至关重要。喷流是在RHIC离子束中的质子或中子的夸克或胶子与对面束中的夸克或胶子猛烈碰撞时产生的。这种剧烈的相互作用可以使得单个夸克或胶子从它们的核伴侣中释放出来，产生一系列或者“喷流”粒子。

在没有产生QGP的碰撞中，这些喷流及其后续衰变产物可以自由逃逸，被RHIC探测器记录。然而，如果形成了QGP，则释放的夸克或胶子会被等离子体中的相互作用所困住，导致能量损失。

“这种能量损失可以比作在水中奔跑与在空气中奔跑，”来自斯托尼布鲁克大学的PHENIX物理学家、该分析的关键领导者加博尔·大卫解释说。“QGP就像水，减缓粒子的速度，导致喷流以降低的能量到达探测器。”

为了检测这种抑制，研究人员首先通过从较简单的质子-质子碰撞扩展，预测金-金碰撞中预期的高能粒子数量，以考虑所涉及的核粒子数量。这些值指示两个金离子是中心碰撞（正面碰撞）还是周边（互相擦过）。中心碰撞预计会产生更多喷流，但它们也更有可能产生更大的QGP，从而产生更显著的喷流抑制。

这种方法在检查金-金碰撞中非常有效。“我们预计在最中心的金-金相互作用中，看到的高能喷流数量是质子-质子碰撞的1000倍，”秋叶指出。“然而，我们只观察到约为质子-质子水平的200倍，表明抑制因子为五。”

这种抑制清晰表明，金-金碰撞确实生成QGP，并且与QGP形成的另一个关键标志一致，即由于等离子体的流体动力特性造成的粒子流动的独特模式。

当PHENIX科学家注意到小碰撞系统中出现的类似流动模式，暗示有微小的QGP液滴时，他们也希望调查这些事件中的喷流抑制。他们的发现出乎意料：虽然像重氢核（由一个质子和一个中子组成）与金离子之间的中心碰撞显示出潜在的喷流抑制，但周边碰撞却展示了高能喷流的增加。

大卫表示：“对于这一现象，完全没有解释。”

研究直接光子

喷流的意外增加被发现是由于物理学家对碰撞中心性的评估方式。通过一种替代方法——计数“直接”光子来揭示这一点，这些光子是在碰撞中与被击打释放的夸克和胶子一起产生的。

当RHIC碰撞发生时，高能的夸克或胶子可以产生高能光子。通过追踪这些直接光子击中探测器的情况，PHENIX科学家可以更准确地测量碰撞中心性，确定释放的高能夸克或胶子的确切数量，从而建立预期的喷流数量。

来自斯托尼布鲁克大学的阿克塞尔·德里斯解释说：“更中心的碰撞导致夸克和胶子之间的相互作用机会增多，生成更多的直接光子，因此相较于周边碰撞，产生更多的高能喷流粒子。”

与夸克和胶子不同，光子不与QGP相互作用。“如果光子被创造，它们会在不失去能量的情况逃脱QGP，”德里斯指出。

因此，在没有QGP的情况下，直接光子和高能粒子应出现相似数量。然而，如果在中心碰撞中，与相似能量的直接光子相比，检测到的高能喷流粒子较少，这表明可能存在抑制喷流的QGP形成。

当时作为大卫的研究生的尼维达希塔·拉马苏布拉马尼扬承担了在重氢核-金碰撞数据中隔离直接光子信号的复杂任务。在完成她的分析后，之前注意到的周边碰撞中喷流的增加消失，中间碰撞中则明确观察到抑制。

拉马苏布拉马尼扬表示：“最初，我们的目标是理解周边碰撞中高能喷流增加的困惑，这一点我们做到了。”她现在是法国国家科学研究中心的工作人员。她补充说：“最中心碰撞中的抑制完全出乎意料。”

秋叶表示：“使用直接光子作为碰撞中心性的准确测量使我们能清楚地看到中心碰撞中有抑制。”

大卫强调：“这种新技术仅依赖于可观察的因素，避免依赖理论模型。”

接下来，研究人员计划将此方法应用于分析其他小碰撞系统。

德里斯解释说：“持续对PHENIX的质子-金和氦-3-金数据进行相同方法的研究将有助于澄清抑制现象背后的原因，以及我们当前的理论是否成立或需要调整。”

这项研究得到了美国能源部科学办公室（NP）、国家科学基金会及包括在科学论文中的各种美国和国际大学及组织的支持。PHENIX实验在2000年至2016年间在RHIC收集数据，目前对这些数据的分析仍在继续。