不可思议的宇宙状态：在地球上模拟中子星

北京时间 5 月 3 日消息，想象一下，把密歇根湖中的所有水 —— 大约超过一千万亿加仑 —— 全部倒入一个在寻常五金店里可以找到的那种四加仑水桶中。直觉告诉我们，这是不可能的：水太多，桶太小。但是，这种不寻常的密度却是宇宙天体中子星的一个定义特征。中子星直径大约只有 15 英里，然而由于某些极端的物理学原因，它们的质量要大于我们的太阳质量。

▲艺术渲染图：两个半透明的球体（分别代表锡原子核）互相碰撞破散落一阵五彩斑斓的碎片。在这些代表质子、中子和其簇的碎片中，有一个介子。图中显示为另一个内部带有两个较小球体的半透明球体，这两个较小球体则代表夸克。

不过最近，密歇根州立大学领导的一个国际研究小组成功地在地球上模拟出中子星的宇宙状态，以更好地探究这种极端科学。

在实验中，研究小组选择用锡来创造富含中子的致密核汤，以更近似地模拟中子星的环境。在日本理化研究所仁科加速器科学研究中心，研究团队将一束锡原子核构成的粒子束加速至接近三分之二光速的速度。

随后，研究人员让该高速行进的粒子束穿过薄薄的锡靶（或锡箔），来撞击锡原子核。原子核破碎以及残骸存在的那一瞬间（仅万亿分之一秒中的十亿分之一秒）犹如原子核构成要素 —— 中子和质子 —— 的超稠密区域。尽管这种环境稍纵即逝，但存在时间却也足够长，可以产生介子这种稀有粒子。

通过创造和检测这些介子，研究小组可以让科学家更好地解答和核科学与中子星有关的长久以来令人困惑的难题。例如，这项研究可以帮助科学家更好地描述这种 —— 可以防止中子星在其自身引力下塌缩进而变为黑洞的 —— 内部压力。

▲密歇根州立大学国家超导回旋加速器实验室核科学教授兼研究员 Betty Tsang

密歇根州立大学国家超导回旋加速器实验室核科学教授兼研究员 Betty Tsang 说：“我们做的实验无法在其他地方发生，除了在中子星内部。”

遗憾的是，科学家无法在中子星内部搭建一个实验室。除了超高的温度和强大的引力之外，最近的中子星离我们也有约 400 光年那么遥远。

不过，宇宙中还有另外一个地方，可以让科学家观察到物质堆积地如此致密的现象：粒子加速器实验室。在粒子加速器实验室里，科学家可以通过撞击原子核的办法将大量核物质压缩到非常小的体积内。

当然，实际过程远非文字描述那么简单。

▲密歇根州立大学物理与天文学系核物理教授威廉・林奇

Betty Tsang 继续说：“实验非常困难。也因此，我们团队这实验结果感到尤其兴奋。”密歇根州立大学物理与天文学系核物理教授威廉・林奇和 Betty Tsang 为该国际研究小组的两位领导研究员。

为了实现他们在这项研究中的共同目标，参与实验的各个合作机构各自发挥了自身的优势。Betty Tsang 说：“这就是我们选择合作的原因。我们通过扩大团队规模和邀请真正清楚自己研究领域的人来共同解决问题。”

密歇根州立大学牵头建造了这台介子检测器。这台设备名为“SπRIT Time Projection Chamber”，由来自德州农工大学与日本理化研究所的协作人员共同建造。

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锡原子核，以创造类似中子星的环境。来自德国达姆施塔特工业大学的研究人员贡献了必须满足严苛规格的锡靶。其他亚洲和欧洲机构的学生与教职员工协助搭建实验并分析数据。

在理化研究所加速器上进行的这项实验有助于将我们对能量和密度的理解推向新的高度，但仍有许多挑战有待解决。

2022 年，稀有同位素束设备（FRIB）投入使用时，该设备有望成为核科学领域的国际合作中心。该设备也将具有独特设施，可以继续探索核系统在极端能量和密度下的行为。

Betty Tsang 说：“当 FRIB 上线后，它将为我们提供更多粒子束选择，并帮助我们开展更加精确的测量。届时，我们有望进一步了解中子星的内部情况，并发现更为有趣、更令人惊讶的奥秘。”

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