高温高能高密度极端条件下可能出现的新现象

????第28卷??第5期??

????2007年9月吉首大学学报(自然科学版)JournalofJishouUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.28??No.5????Sept.2007????文章编号:1007-2985(2007)05-0045-05

高温高能高密度极端条件下可能出现的新现象

焦善庆,许弟余,龚自正123??

(1.西南交通大学理学院物理系,四川成都??610031;2.四川职业技术学院物理系,四川遂宁??629000;

3.中国空间技术研究院总装与环境工程部,北京??100094)

摘??要:近年来理论研究和实验探测都已预示在高温高能高密度的极端条件下出现新现象的可能:温度高于Planck质量(1019GeV)标准模型命运的改变,重子数和轻子数(B+L)的破坏问题,普通强子物质和夸克-胶子等离子体在高温下的转化等问题.笔者据自己的研究成果,提出一些观点和结论,希望对天体-粒子物理的研究能有所推动.

关键词:宇宙早期核子;超微黑洞;(B+L)破坏;夸克-胶子等离子体

中图分类号:O572.32????????????文献标识码:A

以爱因斯坦引力场方程为基础而建立的宇宙大爆炸标准模型,因方程存在零点解而认为宇宙起源于时间为零、空间为零的零点大爆炸.不然它怎能包容当前宇宙中测到的10个核子,这些核子从何而来?这种??有产生于无??的结论令人费解.目前对超越Planck尺度m大于mpl(约10GeV);温度高于Tpl(约1.2??10K);半径小于rpl(约1032-331979cm);时间小于tpl(约10-43s)的理论和实验观测都未见到任何表述

38[1].对高于51Planck温度的标准模型命运进行一番审视,是很有必要的.引入宇宙早期核子概念

rc??10-52[2]得到宇宙不是起源于零点大爆炸,而是起源于mC??10GeV,Tc??10K,cm,tc??10-62s的??超微黑洞??的一次大爆炸,标准模型零点大爆炸的观点值得商榷.V.Rubakov认为高温时(B+L)会发生破坏,(B+L)破坏就不再是量子效应了,定量研究和实时计算机模拟结果都支持这种设想.M.Shaposhnikov认为:在宇宙早期的炽热等离子体中发生的弱相互作用满足这种不对称性所有必要条件,重子数B在高温时发生强烈破坏,弱相互作用使CP对称遭到破坏,此即高温(B+L)破坏的宇宙学意义.

笔者研究结果支持了上述观点,在三代现时费米型与宇宙早期它的超对称伴子(玻色型)之间,确因

[4-5]CP破坏而发生(B+L)破坏,即??编外??粒子与偏内粒子间的(B+L)破坏.笔者还猜测Planck粒子可

能是夸克解体后的亚夸克的超对称伴子,在Planck尺度,起码亚夸克自由度或它下一层次的微粒(或称微亚夸克)自由度都将获得开放,层次越深,粒子越向大质量、强束缚的方向发展.

在当前对撞机(或下一代对撞机)条件下,通过重核-重核对撞而生成夸克-胶子等离子体物态是完全可以实现的,并已显现夸克-胶子等离子态的某些迹象,从而进一步推动对撞技术的发展.[3]

1??宇宙起源于??超微黑洞??的大爆炸

由核子、暗物质粒子D(中微子归入暗物质)的2类自由流阻尼标度理论,得到天体、粒子质量和半径的统一计算式为

??[6]收稿日期:2007-09-03

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40474033)

作者简介:焦善庆(1928-),男,云南南涧人,西南交通大学理学院物理系教授,主要从事理论物理教学研究

.

46

i

吉首大学学报(自然科学版)第28卷

mi??Amn,现,ri??A

19

i??1

rpl??A

i-1

i??1

Arn,现,

-14

i+1

-1

(1)

cm.i=4,

(2)(3)(4)

表核子,即

-14

其中Planck大数A??10,mn,现为现时核子的质量,rpl??103,2,1.A取A

i-1

-33

cm为Planck尺度,rn,现??10表天体,A

i-1

表天体,A取A

i+1

表粒子.对于核子i=0,A

2

38

14

19

i=2??mi=2??Amn,现??10GeV=10g,ri=2??Ai=1??mi=1??Amn,现??10GeV=10i=0??mi=0??Amn,现??mn,现=10

-24

-5

rpl??10

-33

cm,cm,cm.

g,ri=1??rpl??10ri=0??Ari=0??A

i+1i-1

cm,

g,

rpl??10rpl??10

-14-52

(3)式即熟知的Planck粒子,(4)式mn,现为现时核子质量,mn,现??1GeV=102个值,即现时核子半径(10的联接粒子),ri=0??1010

-52

-52

-14

-24

g.半径(或视界)有

i-1

cm),表示属微观领域;它也可以充当宇观天体的一员(因为它是宇观-微观

Arn,现=

-1

2

cm.若将核子半径视为宇宙极早期一个核子的半径,则ri=0??A

cm.即等价地可以认为在宇宙极早期一个核子的质量为一个现时核子质量的A倍.不难证明

[3]

mi=2G??2

==A,mn,现G

其中A=10.

在Dirac大数理论中,有

39??D????D=10.G

(5)式的等价式,可自然地引入宇宙早期核子概念,质量、半径分别为

m??n,早=Amn,现=10GeV??10g,r??n,早=Arn,现=10

它的形成时刻tc及形成温度Tc分别为

tc=10

-522

38

14

-2

-52

19

(5)

(6)

(5)式与(2)、(4)式的结果相同.G??为宇宙早期的引力强度,G为现时宇宙的引力强度.(2),(4)式为

cm.

(7)(8)(9)

/c??0.3??10

41

-62

s????c=3??10cm??s,

51

10-1

Tc??10MeV??1.2??10K.

由黑洞热力学公式计算,它具有黑洞性质,考虑霍金蒸发机制情况下取0.1mn,现得(单位:g)

51-24

Tc==10K????mn,现=10g.

0.1mn,现

在10

-62

26

(10)

内因爆炸释放的能量为

7-6236

E=??10??10erg=10erg.

(0.1mn,现)

[1]

41

(11)

(9)式和(10)式完全相同,(11)式与点大爆炸的估计结果相同,所以笔者认为它是一个??超微黑

-6251-52

洞??.宇宙起源于tc??0.3??10s,Tc??1.2??10K,rc??10cm的??超微黑洞??的大爆炸,克服了??有产生于无??观点的困扰,超越了Planck尺度的限制,大爆炸标准模型受到严重的挑战.

大爆炸一开始宇宙就是一个高温光子背景热平衡态与引力束缚态共存的系统,光子热平衡态占优势,反抗引力束缚而迅速膨胀,引力又迫使光子不能逸出宇宙,使之具有黑洞性质.

宇宙膨胀到Planck时间,能量还剩下10erg,此能量恰与Planck质量相当.当温度高于10K时

2????pl+pl,

32

16

[1]

32

(12)

当温度低于10K时,则只发生pl+pl??2??过程,不能发生2????pl+pl过程,此时Planck粒子数与光子数之比前者可以忽略不计.

2??Planck粒子有可能是亚夸克的超对称伴子

在文献[7]中曾讨论了Planck粒子电荷、磁矩及其磁单极等性质.笔者认为Planck粒子有可能是在极高温下核子解体为夸克,夸克又解体为现时亚夸克的超对称伴子,从低温相到极高温相通过2次相变而

第5期??????????????????????焦善庆,等:高温高能高密度极端条件下可能出现的新现象

47

成.从低温相到高温相粒子要变重.

多数人认为轻子、夸克的??反常磁矩??是它们有亚结构的可观测效应.在QED场论中计算到??(??为精细结构常数),电子、??子的磁矩恰为1玻尔磁子,无反常磁矩.如果把电子视为是亚夸克组成的类点结构,则应有反常磁矩存在,它反应了夸克、电子的结构性.

4

Kinoshita和Lindguist等利用QCD理论,计算精度达??的量级.设电子、??子为类点粒子,算得理论结果与精确实验的差值为

电子:ae-ae

expexp

Ther

3

[3]

=-(251??154)??10

-12

,(13)(14)

??子:a??-a??=(0.1??1.9)??10.

Ther-8

(12),(13)式表示电子和??子有反常磁矩,是e、??有亚结构的证据,即这一差值来源于亚夸克构成夸克或

--轻子的结构性.文献[7]计算了ve,e,??等粒子的??反常磁矩??均与实验数据相符.这样由亚规范理论和初步的亚夸克动力学算得因亚结构导致的反常磁矩为

??ai=

[4]

4??mi

.9??M

(15)

其中:??为精细结构常数;mi为轻子质量;M为玻色子亚夸克c或费米子Wi(i=1,2)的质量.

采用的模型为焦-宫亚夸克模型:

eF(q2,g,g),ve,F(q1,g,g),dF(q2,bc,g),uF(q2,bc,g).

若令

q1=W1,q2=W2,bcg=ci(i=1,2,3),gg??c0(或c4),

则焦-宫亚夸克模型化为Nambu模型

eF(W2,c0),ve,F(W1,c0),dF(W2,ci),uF(W1,ci).

于是由(13)~(15)式及(18)式算得费米型亚夸克的质量下限为

MF,亚??9.2TeV??0.9??10GeV,

若认为现时粒子的质量与它的超对称伴子质量之间的关系成立,则得

m??超亚=10m现,亚??0.9??10GeV,

此值正是原大爆炸标准模型在tc<10电子的半径取re=10

-16

-35

12

16[8]4

-1

-1/3

+1/3

-1

-1/3

+2/3

(16)(17)

(18)(19)(20)

-33

s前予言的磁单极质量.也是笔者在文献[7]中假定的Planck粒子

cm,

17

具有单位电荷和单位磁荷,服从Dirac量子化条件.取单磁荷子为具有Planck半径的粒子,即rpl=10

cm(实验值),则得M??早,亚??0.9??10GeV.加以t??Hooft强作用修正,则

-1

17

19

mpl=??M??早,亚=137??0.9??10GeV=1.23??10GeV.

19

(21)

目前mpl的公认值1.22??10GeV与(21)式惊人的符合,所以mpl粒子可能是现时亚夸克的超对称伴子,在Tc??10K的高温,亚夸克自由度已完全获得开放.

32

3??夸克-胶子等离子体态及高能相和低能相的(B+L)破坏

3.1对物态层次的一个重大限线逾越

也就是打破夸克幽禁的各种模型:袋、势、弦、弦??结,格点规范场等对夸克的囚禁,使之成为夸克-胶子等离子体.这种物态可望在高能重核-重核对撞中产生极高温度时得以实现,它相当于大爆炸后10

-6

s量级时的宇宙态,宇宙温度Tc??10K.

90年代末本世纪初,相对论重离子对撞机RHIC力图解决的问题:重核碰撞是否产生一个有统计性质

13

或集体性质的物态?对撞产生的系统是否处于热平衡?如是,则可用统计QCD研究.若碰撞后系统是热平衡的,则初始温度如何?碰后系统是否达到化学平衡?对撞是否产生一延伸系统有色退约束而形成夸克-胶子等离子体态?夸克-胶子等离子体态是否接着膨胀与量子化等问题.

目前已出现可喜的实验前景:AGS与SPS机都有正结果.AGS的120GeV??核子Au束对撞支持BNL实验中S-iAu对撞中出现有平衡发射的现象;SPS的160GeV??核子Pb束对撞则发现夸克-等离子体态的迹

48吉首大学学报(自然科学版)第28卷

3象.NA50组则发现退幽禁信号.一次Pb-Pb对撞涉及400个核子,中心部分能量密度上升到250MeV??fm,会

发生相变是很有可能的.因此RHIC运行后必有大量工作可做.下一个计划是LHC第3大探测器ALICE,LHC全年10%时间作重离子运行,能量达5.5TeV??核子,还可升高,力争使温度逐步逼进宇宙早期状态.前景是光明的,困难是巨大的.

3.2关于(B+L)破坏

关于(B+L)破坏,笔者的研究结果与M.Shaposhnikov观点

[5][3]是一致的.事实上,3代夸克、3代轻子与宇宙早期它们的超对称伴子之间就存在(B+L)破坏.以第1代为例:现时夸克????????????????????????超对称反夸克

uF(q1bcg)

dF(q2bcg)-1/3+2/3????????????????????ye,B(q2??bc)ye,B(q1??bc)+1/3-2/3

B=+1/3??????????????????????????B=-1/3,

L=0??????????????????????????????L=0,

B+L=+1/3,????????????????????B+L=-1/3.

现时轻子????????????????????????超对称反轻克

vF(q1gg)

e(q2gg)-10(22)????????????????????Ue,B(q2g??)Ue,B(q1g??)+10(23)

B=0,L=+1????????????????????B=0,L=-1,

B+L=+1??????????????????????B+L=-1.

文献[3]指出,重子数B在高温时发生强烈破坏,这是由于在高温时发生的色融化所导致的.亚夸克有味亚夸克q1,q2;色亚夸克bc(c=1,2,3);g为无色(或白色)无味亚夸克.其量子数分别为

q1:??Q=+2/3,I3=+1/2,B=0,L=-1/3,S=1/2,

q2:??Q=-1/3,I3=-1/2,B=0,L=-1/3,S=1/2,

bc:??Q=+1/3,I3=0,Bc=+1/3,L=-1/3,S=1/2,

g:??Q=-1/3,I3=0,B=0,L=+2/3,S=1/2.

除bc带红、黄、蓝这3色外,还包含带第4色即白色(或无色)的g.在极高温度下,3色可向无色(或白色)过渡,此即发生色融化.从色亚夸克转化为无色亚夸克,重子数遭到强烈破坏(preon模型也有此特点).事实上,从夸克转化为轻子其原因是其内的亚夸克作谐振荡导致的夸克-轻子表面形变引起的,即色融化是由于内部产生了分数电荷的亚夸克弱荷流,且弱荷流为

J??=g^

则

uF(q1bcg)

dF(q2bcg)

B=+1/3,??????B=0,

L=0,????????L=1,

B+L=+1/3,????B+L=1.

若把(25)式所示的弱荷流视为夸克-轻子间bc-g物质交换,则(26)式就是以往人们提出过的新名古屋模型.文献[3]预示:氘大体上是不稳定的,它要变为一个反核子和3个反轻子,但寿命很长.从超对称观点及高温下色融化的观点,完全可以解释文献[3]所提出的预示,即-1/3+2/3Q-1/3[4](24)????(1-??5)bc+1/3.(25)夸克、轻子、对称ve,F(q1gg)eF(q2gg)(26)-10

第5期??????????????????????焦善庆,等:高温高能高密度极端条件下可能出现的新现象

+1F0F49氘(P,n)+10-2/3??超对称??+1/3(P??B,??nB)??+1/3+10P??B,n??ByB(q2bc)yB(q1??bc)yB(q1??bc)]

n+P????[y

-1

00B+1B+1/3B0色融化(q1??bc)y-2/3B(q2??bc)y-2/3B(q2??bc)]+10PB+??UB(q2??g)+UB(q1g??)+UB(q1??g)nB+UB(q1????g)+??UB(q2g??)+??UB(q2g??)

????初态氘????????????????未态氘+10+1.

??????守恒量,B+L=2+0=2,??????B+L=-1-3=-4,

所以(B+L)破坏.

参考文献:

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59-62.

NewPhenomenaEmergingPossiblyundertheConditionsofHighTemperature,

HighEnergyandHighDensity

JIAOShan-qing,XUD-iyu,GONGZ-izheng123

(1.DepartmentofPhysics,ScienceCollege,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,610031,China;

2.DepartmentofPhysics,SichuanVocationalandTechnicalCollege,Suining629000,SichuanChina;

3.DepartmentofIntegration&SpacecraftEnvironmental,CAST,Beijing100094,China)Abstract:Recentlythetheoreticalstudiesandtheexperimentalsurveyshaveindicatedthatnewphenomenacanemergeundertheextremeconditionsofhightemperature,highenergyandhighdensity.Forexample,thereistheproblemaboutthefateofthestandardmodel,theproblemofbaryonnumberandleptonicnumberviolationwhentemperatureishigherthanPlanckmass(10GeV),andtheproblemofmutualtransformationofcommonbaryonmatterandquark-gluonplasmonwhentemperatureishigh.Basedonthewriters??previousachievementsinresearch,soneviewpointsarepre-sentedandsomeconclusionsarereached.Itishopefulthatthediscussioncangiveanimpetustotheresearchofpart-icle-astrophysics.

Keywords:earlyuniversenucleons;super-micro-blackhole;(B+L)violation;quark-gluonplasmon

(责任编辑??陈炳权)19