作者丨黃辛
科學家計算模擬的重離子碰撞中由噴注誘導的馬赫波的影象。波線代表光子，箭頭直線是噴注，紅色和黃色代表馬赫錐波能量密度，而綠色代表擴散尾流。虛線圓圈代表兩個碰撞的原子核。研究小組供圖
近日，中國科學院大學陳蔚，華中師範大學楊忠、龐龍剛，華南師範大學賀亞運以及美國伯克利國家實驗室柯偉堯和王新年，透過計算模擬研究了重離子碰撞中由噴注誘導的馬赫波，並且引入另一種稱為二維噴注層析的技術，為捕捉擴散尾流幽靈般微弱的訊號提供了新手段。該研究成果發表於《物理評論快報》。
當你乘坐快艇在平靜的湖面穿越，你不會錯過在船頭快艇蕩起的波浪和船後留下的尾流。當噴氣戰機以超音速飛行過藍空時，它也會產生一種稱為馬赫波的超音速激波。在紐約長島布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機 （RHIC）和在日內瓦附近歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC） 的相對論重離子碰撞中，這種類似的馬赫波也會產生。只不過這是一種發生在亞原子尺度下的物理奇觀。
宇宙大爆炸幾個微秒後的短暫時間內，宇宙呈現出一種奇異的新核物質形態，類似於亞原子湯，被稱為夸克膠子等離子體。15 年前包括中國科學家參與的幾個國際實驗合作團隊研究發現: 夸克膠子等離子體是一種完美流體。作為自然界物質的最基本組成成分，夸克膠子相互之間耦合如此之強，以至於夸克膠子等離子體幾乎可以無摩擦地自由流動。
在實驗室裡，高能重離子碰撞會產生體積只有原子核大小的夸克膠子等離子體。碰撞同時會產生一些極高 能量的夸克或膠子噴注。實驗和理論研究表明噴注粒子在夸克膠子等離子體內傳播時會發生散射並損失能量。這些噴注會以超聲速穿過夸克膠子等離子體。就像高速飛行的導彈或噴氣式飛機，一旦超聲速，就會連續壓縮周邊的 介質形成音爆，又稱赫波。
研究噴注粒子在夸克膠子等離子體中的分佈和傳播模式，對於研究夸克膠子等離子體的性質十分重要。 根據科學家預 測，赫波訊號伴隨一個微小的擴散尾流，攜帶著噴注粒子在夸克膠子等離子體內部崎嶇的軌跡 資訊。雖然人們可以透過實驗結果對比很容易看到噴注粒子能量損失的現象，但是很難捕捉到其傳播過程中引起的赫波以及與之相伴的擴散尾流訊號。
“擴散尾流的訊號非常微弱，搜尋它就像大海撈針“。我們的模擬結果首次表明，人們可以使用二維噴注層析技術來獲 取夸克膠子等離子體中擴散尾流的微小訊號，”該研究的負責人王新年說。他是伯克利國家實驗室核科學部的高階研究員，也是發明二維噴注層析技術的國際團隊的負責人。為了在"夸克膠子"大海中撈到細小的"超聲"針，他的國際合作團隊參照LHC上的鉛核碰撞實驗，以及布魯克海文國家實驗室的RHIC上進行的金核碰撞實驗，模擬數十萬個碰撞事件並進行篩選。
王新年表示，這種獨特的方法“可以幫助降低噪聲的干擾，撈到這根細小的針“。擴散尾流緊隨赫波，就像一艘 快速移動的船尾鉤起的漣漪，可以作為噴注粒子超音速的訊號。擴散尾流是粒子能損的體現，也是科學家們一直在尋找這種超音速“尾跡”的證據之一。一旦夸克膠子等離子體中的擴散尾流被定位，人們就可以將其訊號與背景中其他粒子區分開來。
同時，王新年認為，這項工作將幫助LHC和RHIC的實驗人員理解，應該尋找什麼樣的訊號來探索夸克膠子等離子體向物質的演變過程。“物質由什麼構成大爆炸後的幾微秒內，嬰兒期宇宙是什麼樣子？ 探索從未停止，而對於擴散尾流堅持不懈的尋找和探究讓我們離這些問題的答案更近一步。”他說。
