相对论重离子物理研究

1. 探索夸克-胶子等离子体(QGP)

相对论重离子物理学是近年来发展较快的核物理前沿领域，也是今后若干年内核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在极高温度（达到10¹²K，即太阳中心温度的 60000 倍）以及极高密度（10 倍于正常核物质密度）下，核由强子态向夸克物质态，即夸克-胶子等离子体的相变。这项研究具有极其重要的意义。首先，夸克-胶子等离子体是人们长期以来渴望求到却又难以得到的一种物质形态。夸克-胶子等离子体与一般的电的等离子体不同，在夸克-胶子等离子体中，夸克在强子外是自由的，而整体上又是色中性的。如果说，上一世纪给本世纪留下了两个谜，一个是无绝对的惯性系，一个是波-粒二象性，这两个谜已随着爱因斯坦的相对论及量子力学的建成得以解决，那么，本世纪粒子物理学的发展又使另外两个更深层次的谜，一是对称性破缺，一是夸克禁闭呈现了出来。当前，描述自然界四种基本作用的理论是，描述强相互作用的量子色动力学(QCD)，描述电- 弱相互作用的 SU(2)×U(1)的模型理论，描述引力作用的广义相对论，这些理论的最终统一将使这两个谜获得最终解决，而相对论重离子物理研究又直接与这两个谜相关，正因如此，有人称这项研究具有“世纪性的地位”。当两束高能重离子相撞时，虽然在极短的时间内，离子之间无重子分布， 是一种物理真空区域，但是它却比一般的真空能量密度高得多，因而是研究真空激发态的理想区域。这时物质的有效质量为零，手征对称性得以恢复。此外，又根据核的相变理论，在正常温度和正常密度ρN 条件下，一般核物质处于正常核态；但当密度达到 2ρN 时，可能出现π凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似晶体点阵排列的原子；当密度达到 5ρN 左右，单个核子产生许多新的激发能级，核变为激发态的强子物质；若再进一步压缩核物质，使密度达到 10ρN 左右，核由强子激发态继续发生相变， 此时出现解除夸克禁闭，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范围内自由运动。此时，夸克与夸克间相互作用粒子组成夸克-胶子等离子体(QGP)。虽然这种理论分析尚有许多不确定因素，却引起了许多人的兴趣。人们一致认为，高能重离子反应是实现这一相变的最有希望的途径。有人估计， 要实现普通核的非禁闭相变，核碰撞质心能量要达到 100GeV/N。预计在1996 年建成的美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC) 将能满足这一要求。

1. 格点规范场理论对相变条件的预言

为探索夸克-胶子等离子体，首先应从理论上估计核物质由强子态向夸克-等离子体相变发生的条件。先从核物质密度与强子密度之差估算相变所需要的能量。其结果是，当核密度提高到正常态的 4 倍时，相变即可实施。然而这种方法仅只是一种估算，精确的方法应采用格点规范理论。在强子尺度的小范围内，研究夸克的物质运动规律时，量子色动力学采用了微扰展开的方法，这种微扰法取得了很大的成功。但是在大于强子的尺度上， 夸克-胶子的等效相互作用强度并不小，由于交换动量的结果，使夸克-胶子体系产生了各种非微扰量，原来的微扰法不再适用。在强相互作用中， 这种非微扰效应表现在多方面。从粒子的质量看，质子的质量恰好是938MeV，△粒子的质量是 1236MeV，π⁰ 介子质量是 135MeV，为什么它们恰好是上述值，这实际上就是一种由非微扰效应产生的结果。此外，粒子的

寿命、衰变现象、零点波函数、磁矩、结构函数甚至真空结构等，也都是夸克-胶子在大距离上的作用效应，也属于非微扰效应产生的结果。这些现象与非微扰效应的关系，是粒子物理学中十分重要而又未被完全开发的领域。1974 年，美国康奈尔大学的威尔逊(K.G.Welson)提出了格点规范场理论，用以解释非微扰现象。其作法是，先设法在 4 维时空中取一系列等间隔的格点，连续的时空被一系列离散的格点所代替。他规定，胶子规范场只在格点间的键上起作用，而夸克费窑场则定义在格点上。由上述场量组成的格点作用量具有规范不变性。当格点间的距离趋于零时，格点作用量趋于原有的量子色动力学作用量，格点规范理论趋于连续时空的规范理论，与连续时空的渐近自由相对应。下一步做法是，先在格点体系中计算各个物理量，然后再把格点间距趋于零，就可望得到真正的物理量，特别是那些非微扰量了。

事实上，微观世界中的微扰量与非微扰量本是人为地划分出来的。当认识水平未达到一定的层次时，先讨论微扰量只是一种对复杂事物的简单处理方法。格点规范场理论的建立表明，人的认识水平又向更高层次迈进了一步。此外，由于粒子物理与统计物理的研究对象都是有无穷多自由度的体系，格点微扰理论把它们之间的相似性突出地表现了出来。然而，格点规范理论的计算是很复杂的，因为每个格点有四个正方向共四个键，在SU(3)规范不变条件下，每个键有 8 个独立变量，每个格点又有正反夸克场，每个夸克场有 4 个 Dirac 分量，有三种色，至少有四种味，这样一来， 对于每边有 16 个格点的四维立方体，就有 200 万个独立变量。由于系统复杂，目前尚不能使用解析方法求解。但是由于理论的规范不变性，使讨论对象具有群积分的性质，可以用数值计算方法计算。1981 年，帕瑞西等人利用布鲁克海汶国家实验室的大型计算机，使用抽样计数方法，即蒙特卡罗数值计算法，计算了这些群积分，不仅首次得到了π介子、质子、△粒子等强子的质量，而且还得到了π介子衰变常数以及标志手征对称性自发破缺不为零的数值。以后，又有人用同样方法计算出更有意义的结果，例如证实了两个重夸克之间的位势随距离的增加，呈现由库仑位势向线性位势的变化。这一结果证明了夸克之间距离加大时，存在有越来越大的作用力，结果使它们“禁闭”起来（渐近自由）。计算结果还显示，温度增加到一定程度，即高能粒子互撞时，夸克的自由能突然加大。这表明，在高能散射中，它们有可能从“禁闭”中被“解放”出来，相变的临界温度为200MeV、密度为正常核密度的 5 倍以上，达到这一条件相变即有可能发生， 这一结果确实给人极大的鼓舞。

1. 实验尝试

1986 年，欧洲原子核研究中心(CERN)在 SPS 加速器上首次进行了(60GeV～200GeV)/N 的氧束流冲击重靶的实验，这是一次较为成功的相对论重离子实验。在这以前所做的有关实验，如 CERN 的 p-p，α-α实验； 费密实验室的 p-p 实验，虽然能量很高，但由于碰撞粒子的质量太轻，高能密度聚集的范围太小，而 LBL 的 Bevalac 上做的 Kr 束打靶实验，虽然粒子足够重，但每个核子的能量只有 1.8GeV，这个值又太低，使碰撞区的温度不够高。还有的虽然能量足够高，但实验的统计性又太差，事例数太少， 都未能获得成功。

在 CERN 的这次成功实验中，发现了人们所期待的“J/ψ抑制效应”，

它是 QGP 存在的迹象之一。根据理论分析，J/ψ粒子有三种衰变方式，它可能衰变成两个电子，e^{+和 e-；还可能衰变成两个μ子，μ+和μ-；或者}衰变成强子。在高能碰撞中，强子也可能产生 J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由 c 和c 粒子组成，自由的 c c 对存在有束缚态。当有 QGP 产生时，由于德拜屏蔽效应的存在，会抑制 c c 束缚态的出现，因而不能组成 J/ψ粒子， 或者说 J/ψ中产生的几率下降，于是 J/ψ中粒子产额抑制现象常被当作为QGP 出现的信号。

CERN 使用的是 200GeV/N 的 ³²S 打击 ²³⁸U，所形成的体系可能是发射π介子和 K 介子，也可能发射 J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰变，通过衰变粒子，如μ^{+和μ-，来判断 J/ψ粒子的产额。在碰撞区形成一团火球，边缘地区的 J/ψ粒子产额竟然是火球中心的 1.6 倍，由此判定，碰撞中心出}现了 J/ψ抑制，即有产生 QGP 的迹象。

另一个显示出现 QGP 迹象的实验是在美国布鲁克海汶国家实验室进行的，这是测定 K⁺/π^{+比例的实验。他们使用了 14.5GeV/N 的 28}Si 束打击 Au 靶，观测 K^{+与π+产额之比，并与质子对撞情况相比较。他们认为，如果有QGP 产生，π+、K-和π+产额将减少，至多是不变，而 K+的产额却要增加， 这样一来，有 QGP 时，K+}/π^{+产额比值应加大。他们的实验结果是：28}Si 打击 Au 后，K⁺/π^{+产额比值由质子对撞时的 0.07 上升为 0.20，而 K-}/π^- 的比值则与质子对撞时一样。

重离子对撞实验是很复杂的。根据理论计算，在现有的条件下，对撞

区的温度可达到 200MeV 左右，这个温度在相变临界温度附近，所形成的火球的横向半径大约有 4.3～8.1fm，径向半径约有 2.6～5.6fm。一个碰撞事例往往可以产生 500 个以上的次级粒子，处理这样复杂的事例以及处理如此大量的特征信号是件极为困难的事，因此，通过上述特征估计 QGP 的形成仍只是一种试探。即使如此，由于理论物理学家已给出相变存在的可能性，也由于实验物理学家又较成功地处理了如此复杂的反应事例，还由于相对论重离子碰撞实验已达到了理论预言的能区，更由于这项研究目标所具有的深远的意义，这一切都使得夸克-胶子等离子体的研究成为核物理学前沿的热点课题之一。