科学家对欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）的重离子碰撞数据进行分析后表示，来自碰撞的粒子在径向方向呈现的“流动”模式，为粒子集体行为提供了新的证据。研究指出，粒子分布受到碰撞产生的极端条件所形成的压力梯度驱动，这些条件被用来模拟宇宙大爆炸后不久的物质状态。
上述结果由LHC的ATLAS合作组发表在《Physical Review Letters》。美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室与石溪大学的研究人员在相关分析中发挥主导作用。
研究团队使用ATLAS实验数据，考察两束铅离子（剥离电子的铅原子）在约17英里环形加速器内以接近光速对撞时，粒子如何向外径向流出。论文称，这类碰撞可产生温度超过太阳核心25万倍的高温高密物质；在这种条件下，构成离子的质子和中子被“融化”，释放出夸克与胶子，形成夸克-胶子等离子体（QGP）。
石溪大学与布鲁克海文国家实验室物理学家贾江勇表示，早期对重离子碰撞中粒子集体流动的测量，是在相对论重离子对撞机（RHIC）发现QGP的关键依据之一。贾同时参与RHIC与LHC相关研究，并领导了此次ATLAS的新分析。他指出，新结果不仅进一步支持QGP的流体样性质，也带来新的信息：此次研究的“径向流”在几何起源上不同于此前广泛研究的“椭圆流”，并且对流体系统中不同类型的粘度具有敏感性。
ATLAS的结论也得到LHC另一重离子实验ALICE的支持。ALICE以互补方式分析了同类碰撞，并在同一期《Physical Review Letters》发表相关结果。
椭圆流研究的背景
布鲁克海文国家实验室物理学家、ATLAS论文合著者彼得·斯坦伯格表示，从研究脉络看，径向流测量在一定程度上补充了RHIC自启动以来围绕集体流动展开的研究。
据介绍，RHIC在2001年公布的早期数据曾显示，金离子碰撞产生的粒子流动在方向上存在差异：沿两束碰撞离子定义的反应平面方向的粒子多于垂直方向，形成椭圆形分布。研究人员当时认为，这与偏心碰撞时两束近似球形金离子的重叠区呈橄榄球状有关；不对称压力梯度使粒子更倾向沿“腰部”方向喷出。
论文所述，这种明显的集体效应表明夸克与胶子即便从束缚态释放出来仍保持强相互作用。由于椭圆流信号显著，物理学家据此推断QGP表现为近乎无摩擦的“完美液体”，即剪切粘度极低。
径向流：从理论框架到数据检验
贾江勇表示，椭圆流在早期更易研究，因此长期成为重点；但若QGP确为强相互作用的近完美流体，粒子也应在对称的外向压力梯度作用下呈现集体径向流。
他指出，尽管RHIC与LHC此前均开展过径向流研究，但尚未系统检验“每个事件中快慢粒子之间的相关性”如何随横向动量或相对于束流方向的角度变化。
根据论文介绍，2020年，布鲁克海文国家实验室的比约恩·申克、石溪大学的德里克·蒂尼以及韦恩州立大学的沈春（当时亦为RIKEN BNL研究中心研究员）提出理论框架，将动量依赖的径向流与对称外向压力联系起来，并指出该压力主要由QGP“火球”的整体大小决定，而非其形状。ATLAS此次工作即在LHC铅离子碰撞数据中寻找支持这一联系的证据。
理论模型预测，在每次碰撞中，高动量与低动量粒子的相对丰度会随碰撞重叠区大小变化。贾江勇解释称，在总粒子数相同的情况下，更小、更紧凑的QGP团块应具有更强压力梯度，从而产生更强径向膨胀；相应地，小系统应出现更多高速粒子、较少低速粒子，相比之下更大系统的压力梯度较弱。
石溪大学博士生、现任荷兰乌得勒支大学与荷兰国家亚原子物理研究所（NIKHEF）博士后索马杜塔·巴塔在贾江勇指导下开展分析。他采用两粒子相关技术（亦用于椭圆流研究），追踪单个事件中发射粒子的横向动量分布，并报告观察到由QGP火球大小驱动的横向动量分布波动。论文称，研究还通过一系列检验确认，径向流与QGP大小之间的关系在沿束流方向的各个角度均成立。
巴塔表示，结果显示径向流与椭圆流类似，属于全局性的集体现象：每次碰撞事件中产生的所有粒子共同承担外向的径向推动。
用径向流约束QGP微观性质
斯坦伯格指出，测量结果表明，在单个事件中形成QGP“液滴”时，可以观察到整体流动与高动量粒子数量增加、低动量粒子数量减少之间的相关性，而且这种膨胀并不需要QGP具有特定形状来驱动。
论文认为，径向流测量有助于进一步理解QGP的微观性质，尤其是体积粘度。巴塔将体积粘度描述为对外向膨胀的阻力，并强调其与用于刻画“近乎无摩擦”特性的剪切粘度不同：剪切粘度与不同方向流动差异相关，而在径向膨胀体系中，若系统可压缩，体积粘度仍可能减缓膨胀。
贾江勇表示，这意味着研究人员可利用径向膨胀测量来检验QGP的可压缩性。斯坦伯格补充称，一种不依赖形状即可研究流动与集体现象的方法，对于研究由比铅或金离子更小的核碰撞产生的微小QGP液滴尤为重要，因为在小系统中甚至难以确定形状是否可测量。
研究团队还提到，下一步工作可能包括对RHIC重离子数据开展更深入分析。布鲁克海文ATLAS组组长迈克尔·贝格尔表示，该项目体现了布鲁克海文与石溪大学理论与实验团队之间的合作成果，也展示了布鲁克海文少数研究人员如何借助RHIC与LHC同时运行的条件，为CERN重离子项目提供贡献并形成协同效应。贾江勇则表示，该项目使其能够在RHIC的STAR合作组工作与LHC研究之间相互借鉴，并认为两座设施具有互补性。
