欧洲核子研究中心的研究人员比以往任何时候都更精确地测量夸克-胶子等离子体中的声速

宇宙中的中子星，实验室中的超冷原子气体，以及大型强子对撞机（LHC）原子核碰撞产生的夸克-胶子等离子体：它们看起来完全无关，但令人惊讶的是，它们有一些共同点。它们都是由强烈相互作用的粒子组成的类似流体的物质状态。深入了解这些几乎完美的液体中的任何一种的性质和行为，可能是理解相隔几个数量级的自然界的关键

在一篇新论文中，CMS合作报告了迄今为止对声音在夸克-胶子等离子体中传播速度的最精确测量，为了解这种极其热的物质状态提供了新的见解

声音是一种纵波，它在介质中传播，产生与其运动方向相同的物质压缩和稀疏。声速取决于介质的特性，如密度和粘度。因此，它可以用作介质的探针

在LHC，夸克-胶子等离子体是在重离子之间的碰撞中形成的。在这些碰撞中，在很小的一秒钟内，大量的能量沉积在一个体积中，该体积的最大大小相当于原子核的大小。碰撞产生的夸克和胶子在这一区域内自由移动，提供了一种类似流体的物质状态，其集体动力学和宏观性质已被理论很好地描述

这种环境中的声速可以从压力响应能量密度变化的速率获得，也可以从温度响应熵变化的速率获取，熵是衡量系统无序度的指标

在重离子碰撞中，熵可以从碰撞发出的带电粒子的数量推断出来。另一方面，温度可以从这些粒子的平均横向动量（即，横向于碰撞轴的动量）推导出来

利用每对核子（质子或中子）能量为5.02万亿电子伏特的铅-铅碰撞数据，CMS合作首次测量了中心重离子碰撞中温度如何随熵变化，在中心重离子冲突中，离子正面碰撞并几乎完全重叠

从这一测量中，他们获得了这种介质中声速的一个值，该值几乎是光速的一半，并且具有创纪录的精度：以光速为单位，声速的平方为0.241，统计不确定度为0.002，系统不确定性为0.016。利用平均横向动量，他们还确定夸克-胶子等离子体的有效温度为2.19亿电子伏特（MeV），系统不确定性为8 MeV

结果符合理论预期，并证实夸克-胶子等离子体是由携带大量能量的粒子组成的流体。

这篇论文发表在arXiv预印本服务器上