科学家使用相对论重离子对撞机（RHIC）的STAR探测器来追踪upsilon粒子如何在夸克-胶子等离子体中解离。这些上硅子由底夸克和反底夸克组成，由具有不同结合能的胶子结合在一起：紧密结合的基态（左），中间变种（右）和最大，最松散的结合态（中心）。来源：布鲁克海文国家实验室

科学家使用相对论重离子对撞机（RHIC）研究实验室中产生的一些最热的物质，已经发表了他们的第一份数据，显示了称为upsilons的三种不同变体的粒子如何在热粘液中依次“熔化”或解离。刚刚发表在《物理评论快报》上的结果来自RHIC的STAR探测器，这是美国能源部（DOE）科学办公室核物理研究用户设施的两个大型粒子跟踪实验之一。

关于upsilons的数据进一步证明，构成热物质的夸克和胶子 - 被称为夸克 - 胶子等离子体（QGP） - 是“解禁的”，或者没有被锁定在其他粒子（如质子和中子）中的正常存在。这些发现将帮助科学家了解QGP的特性，包括其温度。

“通过测量ε抑制或解离的水平，我们可以推断QGP的性质，”RHIC所在的美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家Rongrong Ma说，也是STAR合作的物理分析协调员。“我们不能仅仅根据这个测量来准确判断QGP的平均温度是多少，但这个测量是更大图景的重要组成部分。我们将把这个和其他测量放在一起，以更清楚地了解这种独特的物质形式。

释放夸克和胶子

科学家们使用RHIC来创造和研究QGP，这是一个周长2.4英里的“原子粉碎机”，通过在非常高的能量下加速和碰撞两束金离子 - 原子核剥离了它们的电子。这些高能粉碎可以熔化原子质子和中子的边界，释放出内部的夸克和胶子。

确认碰撞产生了QGP的一种方法是寻找自由夸克和胶子与其他粒子相互作用的证据。Upsilons是由重夸克-反夸克对（底部-反底）结合在一起的短寿命粒子，被证明是这项任务的理想粒子。

“upsilon是一个非常有界限的状态;很难分离，“中国科学技术大学的STAR合作者Zebo Tang说。“但是当你把它放在QGP中时，夸克和反夸克周围有如此多的夸克和胶子，以至于所有这些周围的相互作用都与upsilon自身的夸克 - 反夸克相互作用竞争。

在夸克-胶子等离子体（背景）存在的情况下，自由夸克和胶子会妨碍构成上西隆的底夸克和反底夸克之间的相互作用。夸克-反夸克相互作用的这种筛选导致ε解离或熔化。数据显示，松散结合的上硅质最容易熔化，而紧密结合的基态熔化最少。来源：布鲁克海文国家实验室

这些“筛选”相互作用可以分解upsilon，有效地熔化它并抑制科学家计数的upsilons数量。

“如果夸克和胶子仍然被限制在单个质子和中子中，它们将无法参与分解夸克 - 反夸克对的竞争相互作用，”唐说。

厄普西隆优势

科学家们已经观察到QGP中其他夸克-反夸克粒子的这种抑制——即J/psi粒子（由魅力-反魅力对组成）。但是，STAR科学家说，upsilons与J / psi颗粒不同，主要有两个原因：它们无法在QGP中重组以及它们有三种类型。

在我们开始重整之前，让我们谈谈这些颗粒是如何形成的。魅力和底夸克以及反夸克是在碰撞的早期就产生的——甚至在QGP之前。在撞击的瞬间，当碰撞的金离子的动能沉积在微小的空间中时，它会触发许多物质和反物质粒子的产生，因为能量通过爱因斯坦著名的方程E=mc转化为质量2.夸克和反夸克合作形成上硅和J / psi粒子，然后可以与新形成的QGP相互作用。

但是因为制造更重的粒子需要更多的能量，所以粒子汤中比重的底夸克和反底夸克更轻的魅力夸克和反魅力夸克。这意味着，即使在一些J / psi粒子在QGP中解离或“熔化”之后，其他粒子也可以继续形成，因为魅力夸克和反魅力夸克在等离子体中找到彼此。这种重组很少发生在upsilons上，因为重底夸克和反底夸克相对稀缺。所以，一旦一个upsilon解离，它就消失了。

“QGP中没有足够的底反底夸克来合作，”华南师范大学的STAR合作者杨帅说。“这使得upsilon计数非常干净，因为它们的抑制不会像J / psi计数那样被改革所混淆。

左图：布鲁克海文实验室物理学家马荣荣（Rongrong Ma）调整μ介子望远镜探测器（MTD）上的电缆，而STAR联合发言人阮丽娟（Lijuan Ruan）在一旁观看。右图：Ma和Ruan站在STAR顶部的T台上，MTD的模块围绕着STAR的房屋大小的中心磁铁。来源：布鲁克海文国家实验室

upsilons的另一个优点是，与J / psi粒子不同，它们有三种类型：紧密结合的基态和两种不同的激发态，其中夸克 - 反夸克对的结合更松散。最紧密结合的版本应该最难在更高的温度下拉开和熔化。

“如果我们观察到三个品种的抑制水平不同，也许我们可以建立QGP温度的范围，”杨说。

首次测量

这些结果标志着RHIC科学家首次能够测量三种upsilon品种中每一种的抑制。

他们找到了预期的模式：对于最紧密结合的基态，抑制/熔化最小;对中间束缚状态的抑制更高;而且基本上没有最松散结合状态的上层硅 - 这意味着最后一组中的所有上层硅都可能已经熔化。（科学家们指出，在测量这种最兴奋、最松散束缚的状态时，不确定性水平很大。

“我们不直接测量upsilon;它几乎立即腐烂，“杨解释说。“相反，我们测量腐烂的'女儿'。

该团队研究了两个衰变“通道”。一条衰变路径通向电子 - 正电子对，由STAR的电磁量热仪拾取。另一条衰变路径，正介子和负μ介子，由STAR的μ介子望远镜探测器跟踪。

该图描述了在没有夸克-胶子等离子体（黄色条）和等离子体（背景为QGP的橙色条）的情况下，基态（1s）和两种不同的激发态（2s和3s）三种品种中每个品种的相对丰度和upsilon产率的变化。QGP中3s状态没有ε产率意味着所有3s上硅星可能已经解离。来源：布鲁克海文国家实验室

在这两种情况下，重建衰变子的动量和质量可以确定这对子是否来自一个upsilon。由于不同类型的upsilons具有不同的质量，科学家们可以区分这三种类型。

“这是μ介子望远镜探测器最令人期待的结果，”布鲁克海文实验室物理学家Lijuan Ruan说，他是STAR联合发言人兼μ介子望远镜探测器项目的经理。该组件是专门为跟踪upsilons而提出和建造的，计划最早在2005年，建设于2010年开始，并在2014年的RHIC运行之前及时全面安装，这是2016年的数据来源，用于此分析。

“这是一个非常具有挑战性的测量，”马云说。“这篇论文基本上是在宣布STARμ介子望远镜探测器计划的成功。我们将在未来几年继续使用这个探测器组件来收集更多数据，以减少我们对这些结果的不确定性。

在未来几年运行STAR的几年中收集更多数据，以及RHIC的全新探测器sPHENIX，应该可以更清楚地了解QGP。sPHENIX旨在追踪由重夸克制成的upsilons和其他粒子，这是其主要目标之一。

“我们期待未来几年收集的新数据将如何填补我们对QGP的了解，”马说。

更多信息：使用 STAR 实验测量 sNN = 200 GeV 时 Au + Au 碰撞中的顺序 Υ 抑制，物理评论快报 （2023）。DOI：10.1103/PhysRevLett.130.112301。journals.aps.org/prl/abstract/......ysRevLett.130.112301

期刊信息：物理评论快报