新研究利用大型强子对撞机创造出宇宙中第一种物质

在近期的一项新研究中，欧洲科学家团队利用大型强子对撞机 (LHC) 以 99.9999991% 的光速将铅粒子碰撞在一起，创造出了宇宙大爆炸后出现的第一种物质。

从这次碰撞中产生的原始物质被称为“夸克-胶子等离子体 ”(quark-gluon plasma， 简称 QGP)， 其存在只持续了一瞬间。不过，这是科学家第一次探测到这种等离子体的似液态特征——流动阻力小于其他任何已知的物质——并揭示了其在宇宙诞生瞬间的演变。

大型离子对撞机实验内部

研究合着者，丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所副教授 Zhou You 说：“这项研究向我们展示了夸克-胶子等离子体的演化，并最终(可能)揭示了宇宙在大爆炸后的第一个微秒 (0.000001 秒)内是如何演化的。”

在大爆炸之后，人们认为宇宙就像一锅“能量汤”，然后在一段称为“暴胀”的时期内迅速膨胀，从而使宇宙冷却下来，足以形成物质。科学家认为，宇宙中出现的第一种实体是夸克和胶子，前者是一种基本粒子，后者则承载着将夸克粘在一起的强大力量。随着宇宙进一步冷却，这些粒子形成了亚原子粒子，称为强子(参与强相互作用的基本粒子)，其中一些就是我们所知的质子和中子。

通过位于瑞士日内瓦边境的大型强子对撞机——世界上最大的原子对撞机——研究人员再现了宇宙历史上“第一种物质”的产生过程。他们将重原子核碰撞在一起，创造出一个微小的火球，可以在极短时间内有效地将粒子融化成它们的原始形态。早在 2000 年，科学家就首次创造出了夸克-胶子等离子体，但在新研究中，他们第一次对该物质的液态性质进行了详细探测。由于夸克-胶子等离子体的存在只持续了 10 的负 23 次方秒，因此研究人员使用新的计算机模拟程序，以及从 ALICE(A Large Ion Collider Experiment， 即大型离子对撞机实验)中收集到的数据，希望了解该物质的性质及其在形成至凝聚成强子的过程中如何变化。他们发现，夸克-胶子等离子体是一种完美的液体，即它几乎没有黏性或流动阻力;另一方面，这种物质随时间改变形状的方式也与其他形式的物质非常不同。

这些信息将帮助科学家了解宇宙在大爆炸后的最初阶段是什么样子的。随着大型强子对撞机的升级，以及美国一个价值 10 亿美元的新加速器上线，科学家希望在未来的实验中发现更多细节。更多的研究将帮助科学家了解夸克和胶子如何排列成质子和中子，并且“可能与大爆炸模型中名为量子暴胀的早期阶段有关”。该研究的详细报道已经在线发表于 2021 年 5 月 11 日的《物理快报 B》(Physics Letters B)。

什么是夸克-胶子等离子体?

夸克是组成物质的最小单元，而胶子是夸克间作用的传递介质，就如同光子之于电磁作用。但奇怪的是，科学家并未在自然界中观察到独立的单个夸克，换言之，夸克在常态下是禁闭的。理论物理学家认为，在宇宙大爆炸的最初期，由于物质密度和温度极高，导致夸克禁闭被打开，使其能自由地在大尺度内运动。这是一种全新的物质形态，即夸克-胶子等离子体，大量存在于大爆炸初期。描述这种夸克/胶子间的强相互作用的理论便是量子色动力学 (Quantum Chromodynamics， 简称 QCD)。

在初始宇宙中，只存在正反夸克、轻子、胶子等基本粒子形态的物质。随着体系的迅速膨胀，在大约几微秒后，宇宙冷却至几百 MeV(1MeV 的温度约为 1.16 × 10 ^ 10K)， 产生了夸克-胶子等离子体的物质形态。之后，随着物质进一步膨胀和冷却，正反夸克对形成了介子，三个夸克形成了中子、质子等，同时电子、光子和中微子等轻子也依然活跃在宇宙中。此时，早期处于大尺度自由运动状态的夸克、胶子由于夸克/胶子间的强相互作用被禁闭在核子内，无法再大尺度自由活动。但由于整个体系仍在不断膨胀，温度继续迅速下降，当降到 10 亿度左右时，中子失去自由存在的条件，要么衰变，要么与质子结合形成重氢、氦等元素;从这一时期开始，化学元素陆续形成。当宇宙温度进一步降到 100 万度后，早期形成化学元素的过程才宣告结束，宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些较轻的原子核。当温度降至数千度时，宇宙间主要是气态物质，这些气体逐渐凝聚，进一步形成恒星体系，演变为我们今天看到的宇宙。