《夸克胶子等离子体：从大爆炸到小爆炸》前言 || 周末读书

2017 年 8 月 12 日 中国物理学会期刊网

内容简介：夸克胶子等离子体是大爆炸模型中早期宇宙所处的状态，它的性质对于宇宙的演化过程有重要影响。人们可以在实验室中让接近光速的相向运动的两束重离子对撞来产生夸克胶子等离子体，从而定量地研究它的产生机制和性质。经过多年的努力，物理学家已经建立了系统描述夸克胶子等离子体的物理理论，也建设了若干大型实验装置，如相对论重离子对撞机和大型强子对撞机等来产生夸克胶子等离子体和研究其物理性质。在该领域中耕耘了几十年的八木浩辅、初田哲男和三明康郎三位教授，系统地总结了近年来的理论和实验进展，汇聚成书。本书内容主要分为3 个部分，分别讨论夸克胶子等离子体的基本概念、天体物理中的夸克胶子等离子体和相对论重离子碰撞中的夸克胶子等离子体。

推荐理由：夸克胶子等离子体物理是粒子物理、统计物理和凝聚态物理的交叉领域，物理现象丰富，研究工具多样，初学者不容易对整个领域有一个系统的认识。该领域的中文参考资料更是凤毛麟角，国内尚无一本全面介绍夸克胶子等离子体物理和实验的具有现代视角的专著。这是一本高能核物理和相关领域研究者和学生的重要参考书，尤其有助于青年研究者在较短时间内对夸克胶子等离子体物理有全面和深入浅出的认识。

前言

现代物理学有两个基本观念：一个是建立在定域规范不变性原理基础上的基本粒子标准模型,另一个是基于广义相对论的大爆炸宇宙学标准模型。这两个观念为人们回答以下两个问题提供了线索：(1) 什么是物质的基本构成单元？ (2) 物质在何时形成？本书的主要议题“夸克胶子等离子体”(QGP)与这两个问题密切相关。事实上,夸克胶子等离子体就是物质的原初状态, 在宇宙诞生后的几微秒内形成, 是宇宙中各种元素的源头。

众所周知, 强相互作用基本粒子(夸克和胶子)的动力学是由量子色动力学(QCD)描述的。根据QCD, 由质子和中子构成的普通核物质在高温高压下发生相变, 当温度高于10¹²K时, 核物质转变为热夸克胶子等离子体, 当密度大于10¹² kg/cm³时,核物质转变为冷夸克等离子体。这两种相变有可能在早期宇宙或致密星核心中发生。现在已经可以在实验室里利用重离子加速器实现高能核核碰撞以产生热密火球或小爆炸,我们期待核子在核核的剧烈碰撞中熔解出其组分, 形成夸克胶子等离子体。

本书旨在介绍有关QGP这种原初物态的物理知识, 读者仅需具备基本粒子物理、核物理、凝聚态物理和天体物理的一些有限的背景知识即可。本书特别针对物理学科的高年级本科生和低年级研究生, 他们可以是上述领域的,也可以是加速器科学和计算机科学领域的。此外, 作者希望本书也能成为已经在上述领域工作的研究人员的参考书。

第1章是引言, 讲述了QGP的基本物理和寻找或发现夸克胶子等离子体的纵览,着重阐述了研究早期宇宙结构(大爆炸)和QGP结构(小爆炸)的常用方法。

正文分为3个部分:

第1部分是关于QGP物理和QCD相变的背景理论知识。这部分可以独立于其他部分,介绍了现代规范场理论与应用(如QCD中的色禁闭、渐近自由和手征对称性破坏等)、热场理论和格点规范理论基础以及相变与临界现象。

第2部分讨论QGP对宇宙学和恒星结构的影响。这部分结合爱因斯坦的广义相对论讨论了热膨胀宇宙和致密星（中子星和夸克星）的物理。对于黎曼空间、爱因斯坦方程、史瓦西解等知识了解很少的读者可以参考附录D的内容。

第3部分概述了相对论性和超相对论性核核碰撞的物理知识。此类碰撞是实验室中产生和探测QGP和QCD相变的唯一途径,介绍了相对论流体力学和相对论动理学, 它们是研究碰撞中产生的热密物质的主要理论工具。在讨论了QGP的各种实验信号之后, 对固定靶核核碰撞实验做了总结;随后介绍了世界上第一个相对论性重离子对撞机(布鲁克海文国家实验室)上取得的引人瞩目的实验结果, 着重点放在QGP的实验证据方面;此外, 也讨论了高能重离子碰撞实验的探测器及其特殊功能。

本书涵盖的范围广泛, 从基础知识到前沿进展, 从理论到实验,从宇宙大爆炸和致密星到地球上的小爆炸实验等。作者假定读者已经熟悉中级水平的量子力学、量子场论的基本方法、统计热力学和狭义相对论, 包括狄拉克方程。尽管如此, 作者仍概括了这些领域足够和必要的基础知识, 使本书尽可能成为独立参考书。为此, 作者在8个附录里列出了本书中一些关键步骤的证明和推导,而且在大部分章节的结尾还设置了总共约160个练习题。