互动科普

研究重粒子对撞的物理学家们认为，他们正在寻找物质存在的普遍形式，它存在从质子到重核（如铀）范围内的超高能粒子中。一些人认为这种被称作“色玻璃凝聚”（color glass condensate）的物质，可以解释新的原子核属性和在碰撞中粒子形成的过程。实验学家最近已经得到令人感兴趣的数据，表明过去研究中的确有色玻璃凝聚形成。

诸如质子和中子这样的粒子，是由更小的称作“夸克”和“胶子”的粒子所组成。正如电子带有电荷，并通过光子传递作用力一样，夸克带有“色荷”，并通过胶子传递作用力。而其中主要的差别在于，并不像光子那样，胶子之间有强烈的相互作用。当质子或重核（如金原子）被加速到接近光速的时候，内部的夸克和胶子就变成扁平状的结构，这是一种相对论效应，称为洛伦兹收缩。加速的能量也产生出更多的胶子。大量被挤压的胶子开始重叠，落入同一个量子态中。类似于产生低温玻色-爱因斯坦凝聚时，大量原子重叠，其集体行为就像单个巨大的原子。

第一个明确表达出色玻璃凝聚概念的是布鲁克海文国家实验室的Larry McLerran。他说，除了与玻色凝聚类似之外，这些压扁的物质“与普通玻璃有着共同之处”。例如，胶子产生的色场随机地指向各个方向，就像玻璃中不同方向的原子所产生的小而分散的电场一样。正如普通玻璃在短期内（几年）是非晶固体，而在长时间范围内（几个世纪）是流动的一样，比起原子核系统中典型的时间尺度，这些处于玻璃状扁平态中的高能胶子，变化很慢。这种状态对所有极高能粒子很常见，应该能够使物理学家描述出在碰撞过程中粒子产生的分布和散射几率。

色玻璃凝聚能在碰撞中打碎。破碎会产生夸克-胶子等离子体，这是一种夸克和胶子的块状形态。尽管迄今还没有宣布什么发现，但许多物理学家相信，这种可以给早期宇宙提供线索的夸克-胶子等离子体，已经在布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）上所做的重离子碰撞实验中产生。

McLerran和一些实验学家相信，如果等离子体已经形成，作为夸克-胶子等离子体的先兆，应该已经产生色玻璃凝聚。在德国汉堡HERA加速器上的电子-质子实验室显示出了色玻璃凝聚的迹象。但最明显的信号可能已在RHIC金-金碰撞和氘-金碰撞实验中产生了（氘包含一个质子和一个中子）。

为了探测夸克-胶子等离子体，物理学家要检测垂直于粒子束发射出来的雾状粒子。但是为了梳理出色玻璃凝聚的信号，探测器要在与粒子束轴成很小角度（大约4°）上探测。因为这里大量极低动量的胶子产生的效应占有优势。相对于其他质子-质子碰撞，氘-金和金-金碰撞在这些向前的小角度上，都产生很少量的粒子，这是金原子核处于色玻璃凝聚态的信号。名为BRAHMS（宽域强子磁谱仪）的多研究所合作研究组首次观测到这一效应，另外两个协作组PHOBO和SPHENIX，证实了BRAHMS的数据。

PHOBOS的Gunther Roland评价：“我认为这是一个非常有趣的线索，表明这儿有什么发生。但我认为理论方面仍然有很多工作要做，以便于证实色玻璃凝聚是我们在实验中观测到效应的起源。”

然而，哥伦比亚大学的理论学家Miklos Gyulassy认为，色玻璃凝聚的实验证据太直接了：“对我来说，迄今为止所出现的东西是不够的。”他说，凝聚实际上应该发生在比实验测量到的动量更低的胶子运动中。要想得到凝聚的直接证据，可能只有等到三年之后，在日内瓦附近CERN的大型强子对撞机上产生出更高能量的质子，或者等大约十年之后，布鲁克海文升级。

[孙学锋/译    杨光/校]