安慰的量子：解决核物质中夸克和胶子的数学难题

【资料图】

夸克-胶子等离子体（红色、绿色和蓝色小圆圈）的卡通图，由两个重核（白色圆圈）之间的相对论重离子碰撞产生。碰撞产生一个重夸克（红色“Q”）和一个重夸克-反夸克对（绿色“QO”）。图片来源：图片由 Bruno Scheihing-Hitschfeld 和 Xiaojun Yao 提供

科学家们在研究夸克和胶子（构成原子核的粒子）的性质方面迈出了重要一步，他们用一种被称为“轴向规范”的理论计算方法解决了一个长期存在的问题。麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员发现，该方法错误地暗示了夸克-胶子等离子体的两个特性是相同的。他们还对胶子分布测量进行了预测，并将在未来的电子离子对撞机实验中进行测试。

科学

原子核的组成部分是质子和中子，它们本身由更基本的粒子：夸克和胶子构成。这些粒子通过“强”力相互作用，“强”力是自然界的四种基本力之一。它们构成了每个原子中心的原子核。它们还构成了具有奇异特性的热或致密核物质。科学家们在相对论重离子碰撞实验中研究冷热核物质的特性，并将使用未来的电子离子对撞机继续这样做。最终目标是了解复杂形式的物质是如何从受强力影响的基本粒子中产生的。

影响

涉及强力的理论计算很复杂。这种复杂性的一个方面是因为有许多方法可以执行这些计算。科学家将其中一些称为“标准选择”。对于可在实验中测量的任何量的计算，所有量规选择都应产生相同的结果。然而，一种称为“轴规”的特殊选择多年来一直困扰着科学家，因为做出这种选择后很难获得一致的结果。最近的这项研究解决了这个难题，并为可靠计算可在当前和未来实验中测试的冷热核物质特性铺平了道路。

概括

物理学家在相对论重离子碰撞中研究的奇异形式的核物质称为夸克-胶子等离子体 (QGP)。这种物质形式存在于早期宇宙中。物理学家在重离子碰撞实验中通过重现大爆炸后最后几微秒出现的极高温度来探索它的特性。通过分析碰撞的实验数据并将其与理论计算进行比较，物理学家可以确定 QGP 的各种特性。使用一种称为“轴向规范”的计算方法以前似乎暗示描述重夸克如何穿过 QGP 的两个 QGP 属性是相同的。

麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员现在发现这种暗示是不正确的。该研究还仔细分析了何时可以使用轴向量规的微妙条件，并解释了为什么这两种特性不同。最后，它表明两种不同的测量胶子如何在原子核内分布的方法必须产生不同的结果。胶子是携带强力的粒子，这一预测将在未来的电子离子对撞机上得到检验。

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