科学家用对撞机实验重现了宇宙早期极端条件

一个研究团队在理解宇宙中一些最重粒子在类似于大爆炸后瞬间存在的极端条件下的行为方面取得了进展。

发表在《物理报告》上的一项研究，为我们宇宙形成的基本力以及至今仍在引导其演化的基本力提供了新的见解。

这项研究由来自巴塞罗那大学、印度理工学院和德克萨斯农工大学的国际团队共同进行，重点关注含有重夸克的粒子。重夸克是宇宙中现存一些质量最大粒子的基本构成单元。

这些被称为粲强子和底强子的粒子，为我们理解在地球上几乎不可能自然重现的条件下物质的行为提供了独特的窗口。

为了研究这些极端条件，科学家们利用大型强子对撞机 (LHC) 和相对论重离子对撞机 (RHIC) 等大型粒子加速器，将原子核以接近光速的速度对撞。

这些碰撞产生的温度比太阳中心还要高出 1000 倍以上，短暂地创造出一种名为“夸克-胶子等离子体”的物质状态。这是一种基本粒子的“浓汤”，存在于大爆炸后微秒之间。

当这种极其炽热的等离子体冷却时，它会转变为强子物质。这个相态由我们熟悉的粒子（如质子和中子）以及被称为重子和介子的其他奇异粒子组成。理解这种转变有助于科学家们拼凑出物质在早期宇宙中是如何从一团混沌的基本粒子“浓汤”演变成我们今天所见的有结构物质的。

重夸克在这些极端环境中就像微小的传感器。因为它们质量巨大，所以运动速度比轻粒子慢，并且与周围环境的相互作用方式也不同。这使得它们成为探测其所穿过的炽热、稠密物质性质的理想探针。

可以想象一下将一个沉重的球扔进拥挤的游泳池。即使在最初的飞溅和最大的波浪平息之后，球仍然会继续碰撞游泳者并在水中穿行。类似地，在核碰撞中产生的重粒子，即使在最炽热、最混乱的阶段过去之后，也会继续与周围的其他粒子相互作用。

先前的研究主要集中在最初极其炽热的夸克-胶子等离子体阶段。然而，这项新研究表明，随后的冷却阶段 —— 即系统转变为强子物质的阶段 —— 在决定粒子行为以及科学家在实验中能观察到什么方面起着至关重要的作用。

研究人员研究了在此转变期间，重强子（特别是 D 介子和 B 介子，即含有粲夸克和底夸克的粒子）如何与更轻的粒子相互作用。

这些相互作用会影响可观测的量，如粒子流模式和能量损失，从而为极端条件下物质的基本性质提供了宝贵的数据。

巴塞罗那大学的胡安·M·托雷斯-林孔 (Juan M. Torres-Rincón) 表示：“在该阶段，系统已经冷却，但仍在影响粒子如何损失能量和集体流动。忽视这个阶段就意味着遗漏了拼图中关键的一块。”

理解重粒子在炽热物质中的行为，对于描绘早期宇宙的性质及其支配基本力的图景至关重要。这些发现也为未来的低能实验奠定了基础，包括欧洲核子研究中心 (CERN) 超级质子同步加速器 (SPS) 的规划研究以及即将在德国建成的反质子与离子研究装置 (FAIR) 上的实验。

这项研究有助于解答关于我们的宇宙如何从最初时刻演变成我们今天所观察到的复杂宇宙的基本问题。

通过研究物质在可能的最极端条件下的表现，科学家们正不断揭开我们起源之谜以及塑造现实本身的各种力量的奥秘。

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