這鍋原始熾熱的粒子湯

我們的宇宙誕生於大約138億年前。

就在大爆炸之後，宇宙是一鍋熾熱、緻密的「粒子湯」。這鍋湯的基本材料正是夸克和膠子，它們最終會結合形成我們所熟悉的質子、中子以及其它的強子（參與強核力的粒子稱為強子）。如果你深入思考就會發現這一切都是那麼的不可思議，比如科學家是怎麼知道宇宙有個開始？又是如何推算出它的年齡？以及為什麼宇宙在誕生後的極短時間內處於夸克-膠子湯的狀態？

質子內部的夸克和膠子。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

然而，更令人欽佩的是，科學家已經可以在地球上創造出這一鍋原始的粒子湯。他們通過將重離子相互對撞來製造這種被稱為「夸克-膠子等離子體」(Quark-Gluon Plasma, QGP)的「粒子湯」。雖然我忍不住給這些科學家點贊，但如果你有關注粒子物理學的動態就會發現這其實並不是什麼新鮮的新聞了。其實，科學家先前就在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）和相對論重離子加速器（RHIC）中利用金-金和鉛-鉛的對撞產生夸克-膠子等離子體。

CERN。（圖片來源：Mona Schweizer）

這次，LHC中的大型離子對撞實驗(ALICE)團隊有了新的發現。在他們剛發表在《自然 物理》期刊的一篇論文中指出了一個耐人尋味的現象，兩束接近光速的質子相互對撞所產生的結果，有時與重原子核對撞所產生的結果相似。

這一發現迫使科學家們需要重新思考質子對撞的屬性，也提醒他們或許在之前的實驗結果中可能忽視掉的一些現象。從事這次實驗結果分析的博士后里Livio Bianchi表示「許多人認為質子的質量太輕，以至於無法產生如此熾熱和緻密的等離子體。但新的結果讓我們開始質疑這種假設。」

在夸克-膠子等離子體中，中等大小的夸克——比如奇夸克——可以自由穿行，並最終結合成更大的複合粒子。當等離子消耗殆盡時這些強子會被噴射出來，被認為是來自粒子湯的跡象。ALICE的研究人員在質子-質子對撞實驗中觀測到許多奇異強子的產生。

隨著在質子對撞中產生的粒子數量逐漸的增加（藍色線條），測量到的奇異強子的數量也在增加（橙色到紅色的方形）。（圖片來源：ALICE/CERN）

我們知道，在質子對撞實驗中會產生許多不同的粒子。此次，研究人員發現產生包含奇夸克的強子數量要比預期的多。有意思的是，在實驗中觀測到包含二至三個奇夸克的粒子數量要遠高於預期。從理論上講，奇異強子的增加並不足以絕對確認夸克膠子等離子體的存在，但它顯然預示著在亞原子尺度上有一些未知過程發生。

歐洲核子研究中心的理論物理學家Urs Wiedemann說：「對於那些想要知道夸克-膠子等離子體如何從質子對撞中產生的科學家來說，此次的測量結果簡直太有意思了；同時此次的結果也吊足了一些高能物理學家的胃口，畢竟他們之前從來沒在質子對撞中看到過這樣的現象。」

在LHC更早期的研究中，科學家發現在一些質子對撞中產生的粒子的空間方向與重離子對撞產生所產生的互為鏡像，因而推測這兩種不同的對撞或許存在更大的共同之處。儘管如此，在確認是否創造出夸克-膠子等離子體前，ALICE的科學家還需要進一步的分析這些奇異的質子對撞的特性。比如，由於夸克-膠子等離子體是液體，因此也需要考慮流體性質。

現有的結果是基於分析LHC在2009-2013年間的數據，或許再過幾年，科學家們就能確定LHC是否真的能通過質子對撞製造出夸克-膠子等離子體了。 ALICE的發言人Federico Antinori說：「這次的發現非常令人振奮，我們又再一次對這種極端的物質態有了更多的了解。能夠從這樣小這樣簡單的兩個質子對撞的系統中分離出類似夸克-膠子等離子體的現象，為我們學習宇宙的原初狀態的特性打開了一個全新的維度。」

編譯：灰小皮

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