超大机器模拟“大放异彩”的原初物质

宇宙在创世之初的“一刹那”发生了大霹雳爆发，微小的“宇宙蛋”充斥着混沌的原始羹汤，浓稠的羹汤主要由夸克和胶子形成，宇宙之初的自由态夸克和胶子随之被幽闭在质子和中子内部，好似陷入了“囚徒困境”，夸克和胶子被永久地束缚在质子和中子的内部。科学家使用了最先进的理论分析和实验工具，想办法释放被“囚禁”的夸克和胶子。大型强子对撞机(LHC)项目的ATLAS实验室的物理学家实施了关键的步骤，用实验手段解释宇宙极早期的等离子体特征。

位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）建成了世界上最大的实验室——LHC，铅离子在加速器中被提升到接近光的速度，飞驰的铅离子发生了碰撞，铅离子在几微秒的时间从普通物质态转化为奇异物质态，物理学将这种物质态称为“夸克—胶子等离子体”，通过分析穿透在等离子体的粒子流束，物理学家对等离子体的性质有了更多的认识。《物理学评论通讯》发布了ATLAS实验室的国际物理学家团队的前沿研究成果。

时间和空间不是“与生俱来”的产物，物质在时空中生存，物质、时间和空间是自然的造化，宇宙在“盘古开天地”的瞬间充斥了奇异的物质态，夸克和胶子随之被锁定在质子和中子的内部，曾经自由的夸克和胶子自由地弹跳和撞击，在‘普朗克时间”内搅拌成同质的“羹汤”，这种奇异的物质态有数十亿度的超高温。为了模仿自然物质的神奇变化，科学家在实验室的条件下制成了夸克—胶子态的“羹汤”， 国际合作团队通过重铅离子的碰撞再现了物质起源的过程。

对夸克—胶子等离子体的研究极有挑战性，它们仅出现在离子相互碰撞的瞬间，在一秒的负几次、负几十次方的时间，它们的出现完全在人的感官能力之外，存续的时间极其短暂，夸克—胶子等离子体在冷却后迅速地转化为“雪崩”式呈现的物质粒子。现代物理技术不能研制出直接观测夸克和胶子的仪器。科学家在“难路虎”面前不能采用通常的检测手段，不能简单地处理夸克和胶子等离子体的实验数据，不是将温度计插进等离子中，耐心读取温度计的数据。在等离子的检测中应用了独特的方法。

位于克拉科夫的波兰科学院原子核物理研究所的芭芭拉·沃什克研究员解释说，ATLAS 实验室的科学家十分幸运，探测器成功地记录了夸克—胶子等离子体的信号，它们在相互作用后留下粒子衰变的产物，通过仔细分析残留粒子的特性，科学家认识了等离子体的属性。沃什克负责协调国际团队的科学实验，他审核了ATLAS 实验室在2011年收集的数据，哥伦比亚大学组成了一支科学团队，负责了数据的收集和整理。

在实验中获取了大多数有关夸克—胶子羹汤的数据，重离子在相互碰撞后向不同的方向扩散，飞散的粒子有特别的方向。铅核在碰撞前的飞行方向发生了相互交叉，根据碰撞后产生的普通粒子的飞散方向，科学家容易分辨出普通的物质粒子，它们产生于铅离子碰撞的一瞬间，在铅离子发生碰撞之后，普通粒子穿越了夸克—胶子“密云”，随后塌缩成集中而狭窄的离子束或物理学概念的喷流。从撞击初期产生的粒子穿越了炙热而稠密的等离子体，失去了一部分能量，呈现出能量逐渐衰退的高能喷流，通过分析重新结构的极高能喷流，科学家获得了等离子体特征的信息。

铅核在高速碰撞后重新结合为粒子喷流，国际科学团队建立了数据的关联性，他们将数据与质子—质子碰撞之后得到的实验数据进行了比较。从足够精确的理论进行分析，夸克—胶子等离子体不会出现在质子—质子的对撞实验中。重离子碰撞的理论模型则预测了稠密等离子体的出现，在离子——离子的对撞过程中产生了极高的能量。通过比较两种类型的对撞实验数据，团队成员评价了碰撞后的喷流会受到等离子体怎样的干扰。

在铅核碰撞的实验中记录了一半数量的喷射流束，它们好像质子——质子碰撞后出现的情形，这似乎说明喷流内的粒子在和等离子体发生了相互作用，这些粒子失去了初期的碰撞能量，高能喷流由此产生了衰弱现象，团队成员以实验结果为依据，抛弃了一些夸克——胶子等离子体的理论模型，那些不符合实验结果的理论模型没有预测到高速能量的衰减现象。ATLAS 的探测器在初期建造的过程中得到了波兰研究所的帮助，其中包括了波兰研究所的原子核物理分部，ATLAS的实验设备极其复杂，庞大的体积相当于四层楼高的建筑物。

铅离子碰撞实验仅是实验室项目的一个组成部分，国际科学团队在LHC加速器实验室开展项目研究，主要实施了质子——质子对撞的实验，通过实验对现有粒子物理学的有效性进行检验，以确定粒子物理标准模型的可靠性，此外，实验的目的还在于探索标准模型以外物理现象的可能，最特别的实验项目体现在对希格斯粒子的检验，经过半个世纪的搜索， LHC实验室的ATLAS和CMS探测器初步记录了神秘的希格斯粒子，国际合作团队再次验证了粒子物理标准模型的正确性。

（编译：2015-3-13）