北京時間 5 月 3 日消息，想象一下，把密歇根湖中的所有水 —— 大約超過一千萬億加侖 —— 全部倒入一個在尋常五金店里可以找到的那種四加侖水桶中。直覺告訴我們，這是不可能的：水太多，桶太小。但是，這種不尋常的密度卻是宇宙天體中子星的一個定義特征。中子星直徑大約只有 15 英里，然而由于某些極端的物理學原因，它們的質(zhì)量要大于我們的太陽質(zhì)量。
▲藝術渲染圖：兩個半透明的球體（分別代表錫原子核）互相碰撞破散落一陣五彩斑斕的碎片。在這些代表質(zhì)子、中子和其簇的碎片中，有一個介子。圖中顯示為另一個內(nèi)部帶有兩個較小球體的半透明球體，這兩個較小球體則代表夸克。
不過最近，密歇根州立大學領導的一個國際研究小組成功地在地球上模擬出中子星的宇宙狀態(tài)，以更好地探究這種極端科學。
在實驗中，研究小組選擇用錫來創(chuàng)造富含中子的致密核湯，以更近似地模擬中子星的環(huán)境。在日本理化研究所仁科加速器科學研究中心，研究團隊將一束錫原子核構(gòu)成的粒子束加速至接近三分之二光速的速度。
隨后，研究人員讓該高速行進的粒子束穿過薄薄的錫靶（或錫箔），來撞擊錫原子核。原子核破碎以及殘骸存在的那一瞬間（僅萬億分之一秒中的十億分之一秒）猶如原子核構(gòu)成要素 —— 中子和質(zhì)子 —— 的超稠密區(qū)域。盡管這種環(huán)境稍縱即逝，但存在時間卻也足夠長，可以產(chǎn)生介子這種稀有粒子。
通過創(chuàng)造和檢測這些介子，研究小組可以讓科學家更好地解答和核科學與中子星有關的長久以來令人困惑的難題。例如，這項研究可以幫助科學家更好地描述這種 —— 可以防止中子星在其自身引力下塌縮進而變?yōu)楹诙吹?—— 內(nèi)部壓力。
▲密歇根州立大學國家超導回旋加速器實驗室核科學教授兼研究員 Betty Tsang
密歇根州立大學國家超導回旋加速器實驗室核科學教授兼研究員 Betty Tsang 說：“我們做的實驗無法在其他地方發(fā)生，除了在中子星內(nèi)部?！?/p>
遺憾的是，科學家無法在中子星內(nèi)部搭建一個實驗室。除了超高的溫度和強大的引力之外，最近的中子星離我們也有約 400 光年那么遙遠。
不過，宇宙中還有另外一個地方，可以讓科學家觀察到物質(zhì)堆積地如此致密的現(xiàn)象：粒子加速器實驗室。在粒子加速器實驗室里，科學家可以通過撞擊原子核的辦法將大量核物質(zhì)壓縮到非常小的體積內(nèi)。
當然，實際過程遠非文字描述那么簡單。
▲密歇根州立大學物理與天文學系核物理教授威廉?林奇
Betty Tsang 繼續(xù)說：“實驗非常困難。也因此，我們團隊這實驗結(jié)果感到尤其興奮?！泵苄萘⒋髮W物理與天文學系核物理教授威廉?林奇和 Betty Tsang 為該國際研究小組的兩位領導研究員。
為了實現(xiàn)他們在這項研究中的共同目標，參與實驗的各個合作機構(gòu)各自發(fā)揮了自身的優(yōu)勢。Betty Tsang 說：“這就是我們選擇合作的原因。我們通過擴大團隊規(guī)模和邀請真正清楚自己研究領域的人來共同解決問題。”
密歇根州立大學牽頭建造了這臺介子檢測器。這臺設備名為“SπRIT Time Projection Chamber”，由來自德州農(nóng)工大學與日本理化研究所的協(xié)作人員共同建造。
理化研究所的粒子加速器提供了不可或缺的能量和稀有的富含中子的錫原子核，以創(chuàng)造類似中子星的環(huán)境。來自德國達姆施塔特工業(yè)大學的研究人員貢獻了必須滿足嚴苛規(guī)格的錫靶。其他亞洲和歐洲機構(gòu)的學生與教職員工協(xié)助搭建實驗并分析數(shù)據(jù)。
在理化研究所加速器上進行的這項實驗有助于將我們對能量和密度的理解推向新的高度，但仍有許多挑戰(zhàn)有待解決。
2022 年，稀有同位素束設備（FRIB）投入使用時，該設備有望成為核科學領域的國際合作中心。該設備也將具有獨特設施，可以繼續(xù)探索核系統(tǒng)在極端能量和密度下的行為。
Betty Tsang 說：“當 FRIB 上線后，它將為我們提供更多粒子束選擇，并幫助我們開展更加精確的測量。屆時，我們有望進一步了解中子星的內(nèi)部情況，并發(fā)現(xiàn)更為有趣、更令人驚訝的奧秘?！?/p>
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