粒子谜题:夸克-胶子-等离子体火球如何爆炸成强子?

诸平

Fig. 1 Quark gluon plasma (QGP) is a unique state of matter produced by colliding heavy nuclei in laboratories, leading to the creation of a QGP fireball. This fireball undergoes expansion and cooling, eventually forming subatomic particles that are key to understanding QGP. New research using the maximum entropy principle has led to advancements in understanding the transition from QGP to hadronized states and identifying critical points in quantum chromodynamics. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 A cartoon of free-streaming hadrons emerging from quark-gluon plasma. Credit: Maneesha Sushama Pradeep

据《科技日报》（scitechdaily）网站2024年1月1日报道，科学家在实验室中创建了夸克胶子等离子体(Quark gluon plasma简称QGP)，以了解它向强子（hadrons）的转变及其在量子色动力学（quantum chromodynamics简称 QCD）中的作用，使用最大熵原理（maximum entropy principle）等新方法来解释实验数据并绘制QCD相图。

夸克胶子等离子体(QGP)简介（Introduction to Quark Gluon Plasma）

夸克胶子等离子体(QGP)是一种令人兴奋的物质状态，是科学家在实验室里通过两个重核碰撞产生的。这些碰撞产生一个QGP火球。火球的膨胀和冷却遵循流体力学定律，该定律支配着流体在各种条件下的行为。

最终，亚原子粒子（subatomic particles）——质子（protons）、介子（pions）和其他强子（other hadrons），或由两个或两个以上夸克（quarks）组成的粒子——出现，并由碰撞周围的探测器观察和计数。每次碰撞中这些粒子数量的波动携带着关于QGP的重要信息。

然而，从科学家可以观察到的东西中提取这些信息是一项艰巨的任务。一种称为最大熵原理的方法在这些实验观察和QGP火球的流体动力学之间提供了重要的联系。

强子化及其新研究（Hadronization and New Research）

随着QGP火球的膨胀和冷却，它最终变得过于稀释，无法用流体力学来描述。在这个阶段，QGP已经实现了强子化（“hadronized”）。这意味着它的能量和其他量子特性（quantum properties）是由强子携带的。这些是由夸克组成的亚原子粒子，如质子（protons）、中子（neutrons）和介子（pions）。强子冻结了它们即冻结了QGP火球最终流体动力学状态的信息，允许从碰撞中流出的粒子将这些信息携带到实验中的探测器上。

新的研究提供了一种工具，可以使用模拟来计算QGP中可观察到的波动。这使得研究人员可以利用冻结来识别QGP火球和气体强子化状态之间的临界点（critical point）。这个临界点是科学家们关于量子色动力学(夸克之间强胶子驱动相互作用的理论)尚未解决的问题之一。

实验意义和最大熵原理（Experimental Implications and the Maximum Entropy Principle）

QGP的波动携带着QCD相图中碰撞停止区域的信息。这使得将流体力学的波动与观测到的强子的波动联系起来，成为将实验测量结果转化为QCD相图的关键一步。一个事件接一个事件的大波动是临界点的实验标志。

来自相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy-Ion Collider简称RHIC) Run-I束流能量扫描(Beam Energy Scan简称BES)项目的数据暗示了临界点的存在。为了遵循这一线索，美国芝加哥伊利诺伊大学（University of Illinois, Chicago, Illinois, USA）的研究人员提出了一种新颖而通用的方法，将流体动力学波动转化为强子多重性的波动。

这种方法优雅地克服了以前解决这个问题的尝试所面临的挑战。至关重要的是，基于最大熵原理的新方法保留了流体力学所描述的守恒量波动的所有信息。

新的冻结程序将在实验中观察到的事件间波动和相关性的理论计算中得到应用，例如RHIC旨在绘制QCD相位图的束流能量扫描程序（Beam Energy Scan program）。相关研究结果于2023年4月20日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Maneesha Sushama Pradeep, Mikhail Stephanov. Maximum Entropy Freeze-Out of Hydrodynamic Fluctuations. Physical Review Letters, 2023, 130, 162301 – Published 20 April 2023. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.162301. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.162301

这项工作得到美国能源部科学办公室（Department of Energy Office of Science），核物理办公室（Office of Nuclear Physics）在BEST专题合作（BEST Topical Collaboration）框架内的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

We propose a general approach to freezing out fluctuations in heavy-ion collisions using the principle of maximum entropy. We find the results naturally expressed as a direct relationship between the irreducible relative correlators quantifying the deviations of hydrodynamic as well as hadron gas fluctuations from the ideal hadron gas baseline. The method also allows us to determine heretofore unknown parameters crucial for the freeze-out of fluctuations near the QCD critical point in terms of the QCD equation of state.