中美印科學家首次確定從普通物質到夸克物質的相變溫度

　　中國科學技術大學近代物理系2008級博士研究生羅曉峰與美國、印度科學家合作，在世界上首次確定了從強子物質到夸克膠子等離子體的相變溫度約為175百萬電子伏特(相當于2萬億攝氏度)。6月24日出版的《科學》雜志以“量子色動力學相圖的標度”為題，發表了他們的研究成果。羅曉峰為論文第二作者，是5位作者中唯一的學生，論文中的實驗數據與統計分析由他完成。

　　羅曉峰說，宇宙初生時，億萬物質是一鍋由自由的夸克和膠子組成的濃稠的“湯”，俗稱“夸克湯”，即夸克膠子等離子體。尋找夸克膠子等離子體存在的證據并研究其基本性質，對研究早期宇宙具有重要意義。

　　在通常情況下，夸克和膠子被強相互作用力禁閉在強子中。強子是由夸克組成的粒子，包括重子(含三個夸克，如質子和中子)和介子(含一個夸克和一個反夸克)。通過對普通原子核“加熱”，有可能使強子“融化”從而形成由自由夸克和膠子組成的夸克膠子等離子體。2000年以來，科學家們利用美國布魯克海汶國家實驗室中的相對論重離子對撞機(RHIC)進行實驗研究，發現了一些夸克膠子等離子體形成的證據。但是從強子物質到夸克膠子等離子體的相變溫度尚不清楚。

　　日前，RHIC對撞機將兩束金原子核加速到接近光速，使它們發生碰撞，形成了高能量密度和高溫的夸克膠子等離子體，冷卻后產生了大量粒子。中美印科學家組成的一個合作小組，分析研究了對撞機上STAR探測器采集到的大量實驗數據，在世界上首次把測量到的凈質子數(質子數減去反質子數)分布的高階漲落與格點量子色動力學的計算結果進行比較，從實驗上直接確定了重子數密度為零情況下，從強子物質到夸克膠子等離子體的相變溫度。

　　該相變溫度是強相互作用物質相圖的一個基本標度(類比于標準大氣壓下，100攝氏度是水的相圖一個基本標度)，對研究強相互作用物質的整體性質以及相變結構有著重大的科學意義。STAR國際合作組發言人許怒研究員說，他們所采用的研究方法為定量研究重離子碰撞中產生的高溫高密物質性質開辟了新方向，也為量子色動力學理論在大尺度和低動量傳遞區域(即非微擾區域)的檢驗提供了一種新途徑。

　　羅曉峰2006年在中國科大本科畢業后，作為碩博連讀生保送到本校近代物理系高能物理組，師從李澄教授攻讀博士學位，主要從事重離子碰撞物理及狀態方程研究，并于2009年2月至2011年4月在美國勞倫斯伯克利國家實驗室作為聯合培養生，在研究員漢斯.蓋爾.瑞特和許怒(中科大77級校友)指導下完成了上述研究。羅曉峰在攻讀博士學位期間，在Phys. Rev. Lett., Phys. Lett. B, Phys. Rev. C，J. Phys. G等學術雜志上發表多篇相關學術論文。

　　另外，中國科大近代物理系高能物理組為STAR實驗研制的高時間分辨飛行時間(TOF)子探測器，大大提高了STAR探測器的粒子鑒別能力，在國際上贏得了較高的聲譽。