互动科普

一台新的对撞机即将产生出其密度和炽热程度可与早期宇宙相媲美的物质。

地下隧道朝两个方向看去都在逐渐弯曲，使装在隧道里的两根细长的束流管道很快就看不见了。隧道内部被柔和的光线照亮——混凝土钢铁部件和闪着光泽的绝热材料等都发出淡淡的灰光，凉爽的空气中飘来一股金属碎屑的气味。远处传来一阵沉闷的卡嗒嗒声，那是检查管道内的真空是否有泄漏的机器发出的声音。当我们信步走下去时，隧道又逐渐变直了，两根细长的束流管合并成一根较粗的管道。翻过一些纵横交错的管子后，我们进入一个洞穴般的房间，房间里充满一片钠泛光灯发出的黄色光辉。地板的中间有一个黑色圆圈，其上写着“对撞点”(Collision Point)几个字。

1999年6月，就在那一点上方的空中，实验人员将创造出极为炽热和致密的物质，其温度和密度之高可与大爆炸之后最初数微秒中的物质相媲美。在长岛布鲁克海文国家实验室即将完工的相对论性重离子对撞机(Relatvistic Heavy Ion Collider，缩写为“RHIC”，读作“Rick”)，可用来加速从氢到金等元素的原子核。(氢原子核只有一个质子金原子核则有197个质子和中子。)在静止状态下，一个核子——即质子或中子——的质量(或能量)为l千兆即10亿电子伏(GeV)。RHIC的对撞机中的超导磁体将对原子核进行加速：由于相对论效应的作用，原于核内的每个核子可以达到从10GeV到100GeV之间的任一预定质量或能量。

被射出的原子核成束地在两个束流管道内沿着相反的方向环行。在对撞机的周长38公里(24英里)的隧道中放置有4台探测器，被加速的原子核最终在这些探测器内相遇。如果两个重原子核迎头相撞，原子核内每一对碰撞的核子将释放出200GeV的能量，可能使温度上升到远远超过l开氏度——比太阳表面的温度高一亿倍。这就是说，原子核将会爆炸。

爆炸火球发出的碎片将解开一个奥秘：在碰撞的极高温度下，质子和中子是否会分解，释放出夸克以及被称为“胶子”的粒子(质子由3个夸克组成，其中两个是“上”夸克，一个是“下”夸克，这些夸克通过胶子结合在一起。中子由两个下夸克和一个上夸克构成。)理论家们相信，当温度超过1012开氏度时，将会产生一种夸克—胶子等离子体即夸克和胶子混在一起的“汤”。新泽西州普林斯顿高级研究所的理论家Frank Wiezek说：“这种物质在我们所知的宇宙中已有几十亿年没有看见过了。”

这一等离子体仅持续10-23秒左右的时间——相当于光穿越一个原子核所需要的时间——而它占据的空间区域的边长仅为10费米(费米是原子核的特征尺寸，1费米为10-13厘米。)它将迅速地分解成大量的其它粒子，而这些粒子再飞越相当于上述尺寸1万亿倍的距离后就被探测器捕获。这样一次碰撞将产生l万5千个粒子还是仅仅l千个粒子还有待观察。但是物理学家将在它们留下的无数径迹中搜寻那瞬息即逝的等离子体存在的证据。

这并不象是大海捞针，它更象是盯着一片汪洋大海，想要弄清它里面是否藏着一枚针。

碰撞并溅射

如果说实验人员面对的是一项令人望而生畏的任务，这部分是因为理论家们只能提供一些没有多少把握的指导。伊利诺斯大学的Gordon Baym指出：“关于物质在这样高的能量下的行为，我们只有一些粗略的概念。”问题在于把质子、中子及原子核保持在一起的强“色”力比电磁力至少强一百倍。此外色力是由胶子传递的，而胶子与其它传递力的粒子(如光子)不同，它具有互相吸引这种特性。胶子的胶粘性质，再加上它异常大的强度，使得量子色动力学——关于强色力的理论，缩写为QCD——的计算常常很困难。

其结果是，理论家们只有在某些特殊的场合(例如当强力相当弱时)才能掌握强力。看来矛盾的是，当夸克和胶子彼此非常接近时强力反而变弱了。试设想夸克是通过胶子弦结合在其它的夸克和反夸克上的，(反夸克是夸克的对立面，它与夸克的质量相同，但所带的电荷相反。)胶子弦的作用就象一根橡皮筋，当一个夸克—反夸克对(称为介子)被分开时，它们之间的橡皮筋就恒定的往回拉。这样为了把夸克反夸克对分开，就需要耗费无穷多的能量，因此自由夸克是永远看不见的。但足当夸克和反夸克非常接近时，橡皮筋就变得根松，因此它们可以彼此忽略对方的存在。在夸克—胶子等离子体中，这样一种宽松的状态应当占优势，尽管是短暂的。

理论家们也相信，看似空无一物的空间——被不适当地称为真空——实际充满了夸克和反夸克对，它们的存在只能间接地得知。这种情况不完全令人满意，无论出于什么原因，宇宙已经选择了在通常的真空内使右手夸克和左手夸克耦合起来(粒子的手征性描述了沿着运动方向看过去时它的内部动的方向)。这样它就破坏了物理学家的美感，或者更确切地说是破坏了所谓“手性对称性”这一数学的优美概念。该慨念认为左手夸克和反夸克应当独立于右手夸克和反夸克，但是在足够高的温度或密度下，充满真空的失配夸克反夸克对应当分解，从而显示手性对称性。

测定强力在现实的场合中可能具有何种行为的最保险的办法是进行大量的计算。有了超级计算机，理论家们就以点阵来模拟时空。他们把夸克和反夸克放在这点上，用胶子弦连接起来，研究它们是如何相互作用的。这些计算——一般称为点阵量子色动力学——作出了下列预测：当能量密度达到了使手性对称性重新出现的水平时，夸克和胶子就将摆脱束缚状态，成为自由粒子。在这种情况下，RHIC对撞机上发生的碰撞应当产生具有完美无缺的手性对称性的夸克—胶子等离子体。

遗憾的是，点阵子色动力学有一些严重的局限性。它不能处理动态的情况，而只能处理静态的场合，这就意味着它只能处理达到平衡状态的系统。此外，它不能描述夸克的数目多于反夸克的数目这种情形。由于质子和中子完全由夸克构成，包含反夸克，因此，当两个原子核碰撞时，夸克多于反夸克的情况可能发生，这样点阵量子色动力学就无法直接应用于高能核碰撞——某些物理学家称其为“碰撞后飞溅”——这种情形。法兰克福Johann Wolfgang Goethe大学的Horst Stocker指出，任何现实的理论必须把“相对论、场论、非平衡动力学以及多体物理学结合起来，而这些理论全都是难啃的骨头。”因此，理论家们要依靠各种各样的近似方法。

例如，一个模型把夸克看作彼此散射的弹子球，运用量子力学以及通过实验测定的产生复合粒子的几率对其进行研究。(这一理论称为强子簇射，是布鲁克海文国家实验室的Klaus Kinder-Geiger开创的，不幸的是，Kinder-Geiger在去年瑞士航空公司的坠机事故中遇难。)另一个模型把原子核看作一团团流体，运用流体动力学法则以及由点阵量子色动力学计算出的参数对其进行研究。这些基本方案的各种组合和修改版本也层出不穷。布鲁克海文国家实验室的一位实验专家Tim Hallman俏皮地说：“在这个领域中有多少位理论家，差不多就有多少种模型。”每种模型可能准确地描述了碰撞的某一方面，但没有一种模型能正确地概括所有问题。如果有人能正确地预测RHIC对撞机投入运行后所测得的任何一种量，那么他将获得一箱美酒的奖赏。

寻找烟

不过预计RHIC对撞机上发生的碰撞将象下面这样进行。在发生碰撞时，两个原子核最初只是互相穿过。Baym指出：“这就好象是当你的脚趾头被绊了一下时，疼痛的感觉要用几分之一秒的时间传上来。”但是一个原子核中的夸克和胶子已经通过“胶水”的套索抓住另一个原子孩中的夸克和胶子，当两个原子连接分开时这些高能的弦就会绷断、打结或融合——人们希望这将产生出等离子体。

等离子体将迅速冷却，发射出电子、正电子以及较重的类电子粒子，即μ子和反μ子等。通过一些类似于大爆炸的过程——但这些过程的计算也是一场困难的——大多数夸克和胶子将凝聚成含有两至三个夸克或反夸克的复合粒子。这些所谓的“强子”中有一部分将分解成其他粒子，而后者本身有可能衰变。夸克—胶子等离子体的证据就隐藏在这些碰撞物的残留物中。

麻烦在于，正如Hallman所说，“没有任何直接的现象，不存在什么特别的东西让你找到之后‘啊哈’一声就大功告成了。”理论家们已经开出了一列长长的清单，列出了需要注意寻找的东西，每种东西据推测都可以证明瞬间消逝的等离子体的存在。遗憾的是，许许多多复杂的核效应可能同这些信号中的大多数相似或者是把这些信号淹没得无影无踪。

第一项任务是把那些其飞行轨迹与束流方向成合适角度的粒子找出来。这些粒子必定来自对撞区。哥伦比亚大学的Miklos Gytdassy说：“它们的能量使我们得知对撞条件是否适于等离子体存在。这是一个先决条件。”此分析也可能显示温度是否在一个极短的瞬间保持稳定(温度是根据动能在粒子间的分布情况推导来的)。这种情况意味着发生了相变，正如水的沸腾可以通过水壶的温度稳定在摄氏l00度而察觉出来一样。不过，Gytdassy认为，这效应太微弱，不可能具有决定性的作用：“我不会把大赌注下在这上面。”

此外对π介子(由上夸克和下夸克及反夸克构成的介子)以及它们彼此间的相关性的精细研究，将会通过一种最初用于测量恒星大小的量子力学效应而揭示出火球的尺寸。这一分析甚至可能指出火球增大的速率。通过把核物质当作流体进行处理，Gyudassy和其它一些研究人员得出结论：由于在等离子体分解为强子时声速将变得反常地小，因此火球的膨胀将暂时放慢。他认为：“这肯定是一个确凿的证据，”但是需要好几年的艰苦的数据收集工作才能使他所谓的“案犯”暴露出来。

然后还有电子、μ子及其反粒子所携带的信息。这些粒子对强相互作用不敏感。Baym说：“如果在这些粒子飞出来时你发现了一对，那将有助于你估计内部发生的情况。”把有关这些粒子的能量和动量的资料综合起来，物理学家们能够确定一对粒子——即一个μ子和一个反μ子，或者一个电子和一个正电子——是否产生了某一特殊介子(如ψ子或ρ子)的衰变。这两种介子中的任一种，如果是在一个手性对称性重新出现的物相内生成的，则它的质量就可能小于正常值——不过这也是一个有争议的问题。

夸克—胶子等离子体的另一个显著标志是另一种称为J／Ψ的介子产生速率的下降。这种介子是由一个粲夸克与一个反粲夸克相结合而形成的，它在核碰撞中产生得相当稀少。而且，据认为，J／Ψ粒子不可能在夸克胶子等离子体中产生，因为周围粒子的轰击将使它分解。因此这种介子被观察到的频率将低于计算值(它是通过其衰变产物而被观测到的)。欧洲粒子物理实验室(CERN)的实验专家们利用铅核进行对撞实验（每一核子—核子对撞的有效能量为17GeV，说发现存在这样一种效应的若干证据。不过，Stocker认为，这一特征也可以用其它手段模仿。

或许最令人感兴趣的可能性是将会出现一种“奇异微滴”(strangelet)：包含许多奇异夸克的。这种夸克微滴奇异夸克在夸克胶子等离子体中应当比较丰富，根据假设它可能同上夸克及下夸克一起凝聚成这种物体奇异微滴。这种物质状态的新奇程度不亚于夸克—胶子等离子体本身，因此，发现一个奇异微滴将非常激动人心，但是仍然存在一个问题——奇异微滴是否会足够稳定以致能到达探测器。

这一清单还可以继续开列下去，理论家们劝告实验工作者搜寻种种现象，包括无定的手性凝聚物(disoriented chiral condortsates，它是因为对撞中心的微小空间区域对于如何使夸克和反夸克对没有把握而产生的)。电荷宇称破缺(据认为电荷宇称是一种正常情况下强力将会遵守的对称性)，以及不计其数的其它种种假设的现象。如果这还不够多的话，Stacker又来凑热闹说是夸克—胶子等离子体并非简单的一般人想象的“自由气体”，而是一种复杂的相互作用系统，它在许多方面类似于紧随其后的强子相。这样，搜寻确凿证据的工作从一开始起就可能前景不妙。

实验专家看来并没有被这样多的可能性弄得头昏脑胀。纽约州立大学石溪分校的实验专家Babara Jacak耸耸肩说：“我想让理论家们考虑象下面这样一类论点：一根针头上能有多少天使在跳舞？”探测器很快就将开始为她进行统计了，通过大的数据对这些可能性加以限制。

统计天使

离开隧道后，从几个电线架下面钻过，就来到了巨大的STAR探测器前。这个探测器由一组其轴位于束流线上的同心圆筒构成，主要的仪器是一台闪耀着银色光泽的巨大的奇妙装置，其上满布着五颜六色的扁平导线。该装将测定每个进入其中的带电粒子的三维路径，并且将非常迅速地消除它的存储器，这样它就可以每秒钟记录一千次对撞的详细情况。环绕这个圆筒形装置的是其它几组探测器，包括一台用于测量每个粒子的能量的量热器。

STAR探测器的特点是综合性的。在每次对撞产生的约1万个粒子中(主要是π介子)，它将测量其中6千个粒子的动量、能量和其它性质(其余粒子的运动路径过于接近束流线因而不能被探测到)。借助这台装置科学家们可以测定一些总体的量，例如火球的温度和能量密度。我凝视着一幅密密麻麻布满了线条的预期轨迹模拟图——Hallman称其为“洗瓶刷”——觉得这台装置的能力几乎到了令人难以置信的地步。

另一台更大的探测器名为PHENIX(凤凰)，之所以有这个名字是因为它是从其它三个由于缺乏经费和人力而半途夭折的装置中死而复生的。PHENIX是一个高122米(40英尺)的一团黑压压的庞然大物，如果说它有点象鸟的话，那就象一只秃鹫（RHIC对撞机的科学家们更喜欢说它象神鹰）。它那沿着束流线展开的“翼”用来捕获μ子。

PHENIX的庞大尺寸是由它所承担的任务——捕获并鉴别轻粒子——所决定的，例如，电子的动量可通过它在强磁场中的轨道的曲率而得知，它的身份则可以通过它发射的一圈特征光子(称为切仑科夫辐射)而鉴定出来。这项测量的精确性都有赖于电子传播一段较长的距离。除了其它功能以外，PHENIX最终应当能够鉴别碰撞产生的电子和介子，是否表明有质量不足的介子存在。

两台较小的探测器也正在完工之中。探测器BRAHMS将检查有多少核子在穿过对撞区时受到碰撞的极为微小的影响，而探测器PHOBOS则将捕获朝所有方发射出的粒子。特别是那些因能量太低而无法穿过较大探测器的粒子。对撞机的设计还为另外两台探测器留下了位置。RHIC项目副主任Thomas Ludlam说：“其中一台我们已经有了计划，另外一台还有待于提出一个好的设想。”

在今年6月进行了试运行之后，RHIC对撞机的操作人员将把它停下一段时间，对探测器进行微调并纠正可能出现的小问题。正式的实验将在今年11月开始，RHIC对撞机的多种功能使人们产生来这样一种希望，即使它能解决所有的理论上的不确定性，它也将会揭示对撞过程的许多方面。例如，操作人员可以把金原子束的能量逐渐调高并观察会发生什么变化。如果在能量越过某一阈值时发射出的粒子数目翻了一番，这就说明夸克与胶子的行为出现了急剧的改变。可能出现的最理想情况是，研究人员同时观测到几个表明夸克—胶子等离子体存在的信号。

此外研究人员还可以改变束流中原子核的大小，例如用硫原子代替金原子．如果已观测到的阈值在硫的对撞中不存在，那就进一步证明金原子对撞中出现了新的物理现象：硫原子不够重，不足以产生等离子体。偏心碰撞(而非迎头对撞)将提供更多的线索。

Wilezek指出：“我充分相信实验专家们的天才。”通过耐心细致地调节参数，科学家们应当能够建立起一幅描述所有各种可能的火球的图景，而不仅仅是与夸克胶子等离子体有关的火球的图景。Stoeker认为，这种多方面的认识才是此项目的真正目标。“一个人有许多特征——眼睛、嘴唇、脚等等，如果把人简化为一个重100公斤的球体，这样的处理显然是不适当的。”各种各样引人入胜的现象都可能冒出来，或许有些甚至是理论家们迄今未曾想象到的。肯定某些现象将使人们向着认识宇宙的炽热诞生过程的方向更接近一步。

相对论性重离子对撞机

借助于相对论性重离子对撞机(RHIC)，实验人员能够在把原子核加速到接近光速的速度后让它们猛烈对撞，以便观察亚原子核物质在高温和高密度下的行为。原子在“离子源”中失去部分电子，然后被送到起动加速器中。该加速器将对原子进行初步的加速，原子在被激发后失去了所有的电子，这样所得的原子核将在交变梯度同步加速器中被进一步加速到每个中子或质子108亿电子伏特（10.8GeV)的能量，然后被注入对撞机。在对撞机中，成束的原子粒分别在两根束流管道中沿相反的方向运行，被加速到最高达每个质子或中子100GeV的能量，最后在装有探测器的区域中对撞(目前安装的探测器有PHENIXSTAR、BRAHMS和PHOBOS等)。

美国能源部科研办公室为建造这台对撞机出资3.65亿美元。探测器是图际合作建造的，造价共计2亿美元，由美国能源部和日本、俄罗斯以及其它几个国家出资，日本还为RHIC的一项单独的研究计划——研究质子自旋的起源——以及一个理论研究所和设在布鲁克海文国家实验室的一台超级计算机的建造提供了资金。

【刘光明／译 胡天其／校】