旋轉最快的物質—夸克膠子電漿態

美國科學雜誌Discovery所選出「2017年100個最有趣的發現」中，第38名的發現「世界上旋轉最快的物質態」為成大物理系助理教授楊毅團隊參與之美國布魯克海文實驗室相對論性重離子對撞機(Brookhaven National Laboratory’s Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC)中STAR實驗組的研究成果。本文將訪問楊毅助理教授之訪問內容秉整為文章，介紹此實驗之內容與楊毅助理教授對此實驗之看法。
 

相信熱愛物理的讀者都熟知於瑞士日內瓦的大強子對撞機(LHC)，LHC中的兩個實驗組ATLAS與CMS於2012共同宣布找到了粒子物理標準模型中所預測的希格斯粒子（Higgs boson），並於2013年讓理論物理學家彼得希格斯（Peter Higgs）和方司瓦·盎格列（Francois Englert）共同獲得諾貝爾物理學獎。LHC是將兩個粒子加速到接近光速後對撞，進而探討粒子內部的更基礎元素，即「基本粒子」。

而RHIC抑是運用同樣的想法，在發現旋轉最快的物質態實驗中，使用的是兩個金原子對撞。因金原子的原子序大，使得對撞時能量密度與溫度皆非常高。而對撞時內部的夸克會因高能量而變自由，產生「夸克—膠子電漿態(Quark-gluon Plasma)」的相態。原本理論預測此夸克－膠子電漿態產生時運動特性應像氣體，但最新研究指出電漿態的行為與非常完美的流體吻合度非常高(完美的流體即黏滯度非常低、阻力非常小的流體，這與理論物理學家以物理直覺所提出的理論有所出入。

“ 兩金原子對撞時若為頭對頭相撞，會產生很多高能量的粒子。但若兩金原子對撞時未在同一直線上對撞，相撞時兩金原子產生高能粒子時會使內部粒子旋轉(旋度約為1000ℏ)。”


有理論學家依據其預測為氣體的特性提出旋度與系統之角動量有關。欲驗證此理論預測，STAR團隊挑出其中一個名為Lambda(Λ)的粒子(由上夸克u、下夸克d、奇夸克s各一個所組成，即uds)，而Λ會衰變為一個質子(proton)與π介子(pion)，藉由proton從Λ衰變出來的方向會順著Λ的自旋方向的特性，從量測proton與Λ的角分布，即可推出Λ的極化率，進而可以推導出此流體系統的角速度。

“  最後發現此物質角速度為10²¹(rad/s)，實驗結果比目前已知旋轉最快的系統還大上10個數量級，此實驗使科學家發現目前人類所知道旋轉最快的流體，更新了科學家對旋轉流體極限的認知。”  

 

有趣的是，在實驗結果出來前，誰都沒能預料到此流體系統竟能有如此快的旋轉特性。而這個結果提供了物理學家非常多的資訊來修正對於量子色動力學(QCD)的了解，這也有助於了解大霹靂(Big Bang)後很短時間內極高溫與極高能量密度的物理現象。
 

楊毅老師所帶領的研究團隊為台灣唯一參與此實驗的團隊，而諸如此大型的實驗需要大型的實驗裝置與加速器之外，亦需要設計不同的探測器去偵測不同的粒子與其特性、得到實驗結果後進行數據的分析與重建，因此需要許多團隊分工完成。
 

楊毅老師團隊在探測器部份的工作是負責渺子探測器偵測軟體的撰寫以及效能的研究，而在數據分析中主要負責渺子探測器所收集的數據來重建並修正探測器的效能等。STAR實驗每年中會有約半年的時間進行實驗取數，在這半年期間加速器將24小時運轉不斷的對撞，因此就會需要許多科學家去收取數據、重建數據、檢查探測器效能、做探測器數據的品管。最後是非常小心的進行數據分析，並與在實驗組的合作夥伴進行討論、討論論文撰寫的內容。
 

而在未來成大團隊將在STAR前置探測器升級計畫中扮演重要的角色，包括了矽探測元件以及探測器支架的設計與製作，預計此升級計畫將在2022年安裝於STAR探測器上，讓物理學家能夠更了解量子色動力學。

楊毅老師表示，目前物理學家對量子色動力學理論尚未了解地得非常透徹。而身為實驗物理學家，必須設計出好的實驗並且仔細的進行數據分析，而能夠從不同角度提供有用的資訊給理論學家，讓大家（包括一般大眾）能夠對量子色動力學有更深刻的理解。

目前做出的結果還有相當大的統計誤差，而如此大的統計誤差讓許多理論都可以合理解釋目前的實驗結果，未來將需要更多的數據來縮小統計誤差，並且可以在不同的系統變量中研究這個全域的極化現像，讓理論物理學家找出更精準的理論去描述量子色動力學。
 

而未來的挑戰是如何讓更多的物理學家或學生能夠投入此研究領域，或者是其他正在進行的基礎科學研究。最重要的是，我們必須要讓大家都能了解基礎科學研究的重要而獲得支持(不論經費或是精神上)。並且必須努力開發研究更先進的探測器及技術來進行更精準的實驗以滿足大家對自然界的好奇心。