QCD 真空(即量子色動力學(xué)體系中真空的基態(tài))在理論上的特征是存在非零的凝聚態(tài)期望值，例如膠子和夸克-反夸克對。物理學(xué)理論并沒有將這種狀態(tài)與真空中缺乏粒子和相互作用聯(lián)系起來，而是認為這種狀態(tài)充滿了所謂的凝聚物，它們具有與真空相同的量子數(shù)，無法直接觀察到。
雖然許多理論物理學(xué)家已經(jīng)討論了 QCD 真空的特性，但迄今為止，通過實驗驗證這些理論預(yù)測具有挑戰(zhàn)性，原因很簡單，因為處于這種狀態(tài)的凝聚物難以捉摸，無法直接檢測到。在 QCD 真空特性的理論預(yù)測中可以找到實驗“觀察”的暗示。
理論預(yù)測，由于所謂的手性對稱性的部分恢復(fù)，冷凝物可能會在高溫和/或高物質(zhì)密度下減少。為了證明這些理論，一些研究人員收集了超相對論、重離子在特別高溫下的正面碰撞期間的測量結(jié)果。該領(lǐng)域的其他努力試圖通過測量所謂的“介質(zhì)效應(yīng)”來探測 QCD 真空的特性。這些本質(zhì)上是改變 QCD 真空及其結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，這是由核物質(zhì)等高物質(zhì)密度的存在引起的。
RIKEN Nishina 加速器科學(xué)中心、奈良女子大學(xué)、德國重離子研究所和全球其他機構(gòu)的研究人員最近著手收集低溫下原子核中介質(zhì)效應(yīng)的實驗見解。在自然物理學(xué)論文中概述的實驗中，他們使用光譜技術(shù)測量 (Sn) 介子原子的狀態(tài)，結(jié)合系統(tǒng)由介子和原子核組成。
“真空隱藏結(jié)構(gòu)的存在是現(xiàn)代最重要的物理問題之一，”進行這項研究的研究人員之一 Kenta Itahashi 告訴 Phys.org。“真空的‘非平凡’結(jié)構(gòu)在理論上已經(jīng)討論了很長時間。例如，Nambu 描述了真空的自發(fā)對稱性破壞。盡管有許多相關(guān)理論，但迄今為止該領(lǐng)域的實驗證據(jù)是有限的。 “
Itahashi 和他的同事最近工作的主要目標(biāo)是進一步闡明 QCD 真空的隱藏結(jié)構(gòu)及其在宇宙歷史中的演化。根據(jù)理論預(yù)測，夸克-反夸克對(即手性凝聚物)在這種真空狀態(tài)下的凝聚會破壞真空的手性對稱性。
在高溫和/或高物質(zhì)密度下，手性對稱性將部分恢復(fù)，因此理論上應(yīng)該會降低手性縮合物的預(yù)期值。在他們的新實驗中，該團隊著手通過使用高精度光譜技術(shù)測量高密度和低溫下的介子原子來推斷 QCD 真空中夸克-反夸克對的預(yù)期值。
“我們以光譜方式測量了π介子核結(jié)合系統(tǒng)”Itahashi 解釋道。“因此，我們的光譜學(xué)提供了補充信息，可以結(jié)合過去聚焦正面碰撞的實驗結(jié)果進行分析。就像繪制水或超導(dǎo)材料的相圖一樣，我們希望在溫度和平面上繪制真空相圖密度。從某種意義上說，核物質(zhì)的行為就像加載到真空中的雜質(zhì)。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的測量結(jié)果與 Nambu 理論所描述的 QCD 真空手性對稱性的自發(fā)破壞一致。結(jié)合他們近二十年前進行的開創(chuàng)性研究的結(jié)果，這項工作推進了目前對 QCD真空、手性對稱性的破壞和恢復(fù)，以及這如何影響手性凝聚物在高溫和/或高物質(zhì)密度。
Itahashi 說：“據(jù)我們所知，目前還沒有關(guān)于像我們這樣準(zhǔn)確確定的高物質(zhì)密度的有序參數(shù)的信息。” “在我們接下來的研究中，我們希望研究手征對稱性的密度依賴性。我們已經(jīng)在密度軸上繪制了手征序參數(shù)的第一個點，我們現(xiàn)在計劃通過進行系統(tǒng)測量來研究密度導(dǎo)數(shù)。此外，我們還希望開發(fā)一種新的離子原子光譜技術(shù)，以達到更高的精度，并使放射性同位素形成離子原子的研究成為可能。”
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