基礎科學的研究揭示了夸克-膠子等離子體（QGP）的存在–一種新確定的物質狀態–作為早期宇宙的組成成分。已知在大爆炸後的一微秒內存在的QGP，本質上是夸克和膠子的湯，隨著時間的推移而冷卻，形成質子和中子等強子–所有物質的組成部分。

重現QGP存在時的極端條件的一個方法是通過相對論重離子碰撞。在這方面，像大型強子對撞機（LHC）和相對論重離子對撞機（RHIC）這樣的粒子加速器設施已經通過與此類對撞有關的實驗數據進一步加深了我們對QGP的理解。

同時，理論物理學家採用多級相對論流體力學模型來解釋這些數據，因為QGP的行為非常像一個完美的流體。然而，在低橫向動量區域，這些模型和數據之間一直存在著嚴重的分歧，傳統模型和混合模型都無法解釋實驗中觀察到的粒子產量。

在此背景下，由上智大學理論物理學家Tetsufumi Hirano教授領導的一個日本研究小組進行了一項調查，以解釋相對論流體力學模型中缺失的粒子產量。在他們最近的工作中，他們提出了一個新的”動態核心-冠層初始化框架”來全面描述高能核碰撞。

他們的研究結果發表在2022年11月18日的《物理評論C》雜誌上，並涉及上智大學博士生Yuuka Kanakubo博士（目前所屬單位：芬蘭於韋斯屈萊大學的博士後研究員）和日本秋田國際大學助理教授Yasuki Tachibana的貢獻。

“為了找到能夠解釋理論建模和實驗數據之間差異的機制，我們使用了動態核心-日冕初始化（DCCI2）框架，其中高能核碰撞期間產生的粒子用兩個部分來描述：核心，或平衡的物質，以及日冕，或非平衡的物質，”平野教授解釋。”這種情況使我們能夠檢查核心和日冕部分對低橫向動量區域的強子生產的貢獻。”

與此同時，研究人員在PYTHIA（一種計算機模擬程序）上進行了能量為2.76TeV的重離子Pb-Pb碰撞模擬，以測試其DCCI2框架。QGP流體的動態初始化允許分離核心和日冕部分，它們分別通過”切換超表面”和”弦碎裂”來進行強子化。然後這些強子被置於共振衰變中，以獲得橫向動量（pT）光譜。

“我們關閉了強子散射，只進行共振衰變，以看到總產量分解為核心和日冕部分，因為強子散射在反應的後期階段將這兩個部分混合起來，”Kanakubo博士解釋說。

研究人員隨後調查了2.76TeV下帶電離子、帶電高子、質子和反質子碰撞的pT光譜中核心和日冕成分的比例。接下來，他們將這些光譜與實驗數據（來自LHC的ALICE探測器，用於2.76TeV下的Pb-Pb對撞）進行了比較，以量化來自電暈成分的貢獻。最後，他們研究了來自電暈成分的貢獻對流動變量的影響。

他們發現，對於0-5%和40-60%的中心性等級來說，在光譜區域的電暈貢獻相對增加了約1 GeV。雖然這對所有的強子都是如此，但他們發現在極低的pT（≈0 GeV）區域，質子和反質子的光譜中幾乎有50%的電暈對粒子產生的貢獻。

此外，與只比較具有強子散射的核心成分（忽略了電暈成分）相比，DCCI2的完整模擬結果顯示與ALICE的實驗數據有更好的一致性。發現電暈貢獻負責稀釋純粹從核心貢獻獲得的四粒子累積量（一種流動觀測），表明有電暈貢獻的粒子的排列組合更多。

平野教授強調說：”這些發現意味著非平衡電暈成分對極低橫向光譜區域的粒子產生有貢獻。這解釋了流體力學模型中缺失的產量，這些模型只從實驗數據中提取平衡的核心成分。這清楚地表明，為了更精確地理解QGP的特性，也有必要提取非平衡成分。”

雖然這些發現肯定有助於擴大我們對宇宙的認識，但它們隨後在應用研究中的應用預計也會使我們未來的生活受益。