科学家研究发现，早期宇宙的“原始汤”实际上是稀汤状

138亿年前宇宙诞生后的几微秒内，所有物质都处于一种极端状态，夸克和胶子在数万亿摄氏度的高温下疯狂碰撞，形成一锅沸腾的原始汤。麻省理工学院物理学家李彦杰领导的研究团队在欧洲核子研究中心发现了这锅汤最本质的秘密，它确实像液体一样流动。发表在《物理快报B》的最新研究首次观察到，当高速夸克穿过夸克胶子等离子体时，会像鸭子划水一样在身后留下清晰的涟漪状尾迹。

这个发现终结了物理学界长达数十年的争论。夸克胶子等离子体究竟是像气体那样由随机运动的独立粒子组成，还是像流体那样作为整体响应外部扰动？答案现在清楚了，它是一种近乎完美的液体，可能是宇宙中黏度最低的流体。

Z玻色子的巧妙标记

观测夸克尾迹的最大难题在于信号的相互干扰。在大型强子对撞机中，重离子以接近光速碰撞时会瞬间产生数千个夸克和反夸克。当一对夸克朝相反方向运动时，一个夸克产生的尾迹会被另一个完全掩盖，就像两艘船同时在池塘两端划过，搅起的波纹会混杂在一起无法分辨。

李彦杰团队的突破在于找到了一个完美的参照物，Z玻色子。这种基本粒子带电中性，几乎不与周围物质发生相互作用，就像幽灵一样穿过夸克胶子等离子体而不留下任何痕迹。更重要的是，Z玻色子只在非常特定的能量范围内存在，这让它们相对容易识别。

在某些罕见的碰撞事件中，一个夸克和一个Z玻色子会同时产生并朝相反方向飞去。由于Z玻色子不与等离子体发生作用，研究人员观察到的任何涟漪都完全来自单个夸克的影响。这就像在池塘中放置一个隐形的浮标，任何水波都只能归因于另一侧那艘可见的船。

研究团队分析了大型强子对撞机上紧凑型缪子螺线管探测器记录的130亿次重离子碰撞数据。在这海量数据中，他们筛选出约2000个产生Z玻色子的事件。对于每个事件，物理学家绘制了短暂存在的夸克胶子等离子体液滴中的能量分布图，持续观察到一种明确的流体式涡旋模式，方向恰好与Z玻色子运动方向相反。

比水更完美的流体

夸克胶子等离子体的流体性质令人惊讶。欧洲核子研究中心和布鲁克海文国家实验室的早期实验已经显示，这种原始物质的黏度极低，接近量子力学允许的理论下限。它的流动性比水、液氦甚至超流体都要强。

这种近乎完美的流体行为源于夸克和胶子之间极强的相互作用。在正常物质中，质子和中子内部的夸克被胶子紧密束缚在一起。但当温度达到约2万亿摄氏度时，这种束缚被打破，夸克和胶子获得自由。然而它们并非各自为政，而是通过强相互作用形成一种高度关联的集体状态。

一个夸克高速穿过夸克-胶子等离子体，在等离子体中留下尾迹。“研究夸克尾迹如何来回弹跳，将使我们对夸克-胶子等离子体的性质有新的认识，”李彦杰（Yen-Jie Lee）说道。图片来源：麻省理工学院 Jose-Luis Olivares。

麻省理工学院威廉伯登物理学教授克里希纳拉贾戈帕尔数年前提出的混合模型预言了这种流体行为。他的理论认为，当高速粒子穿过夸克胶子等离子体时，应该产生类似船只尾流的扰动模式。等离子体中的夸克和胶子会被推开、压缩，然后在粒子身后形成涡旋和波纹。

李彦杰团队观测到的尾迹效应与拉贾戈帕尔的预测完全吻合。西班牙奥维耶多大学物理学教授丹尼尔帕布洛斯评论说，这是第一个清晰、明确、无歧义的证据，证明了这一基础现象的存在。多年来许多人都认为这一定存在，许多实验也一直在寻找它，但李彦杰和紧凑型缪子螺线管团队设计并执行的测量，首次为我们带来了确凿证据。

从大爆炸到对撞机

重现宇宙最初瞬间的物质状态需要极端条件。大型强子对撞机将铅原子核加速到每个质子携带约7万亿电子伏特的能量，然后让它们正面相撞。在碰撞点，温度瞬间飙升至约5万亿摄氏度，比太阳核心温度高出约30万倍。

这种极端高温解放了通常被禁锢在质子和中子内部的夸克。在大约10的负23次方秒的短暂时间内，数千个夸克和胶子形成一个直径仅几飞米的微小液滴。这个液滴迅速膨胀并冷却，夸克重新结合形成强子，整个过程不到万亿分之一秒就结束了。

虽然持续时间极短，但这足够让物理学家探测其性质。紧凑型缪子螺线管探测器包含数百万个传感器通道，能够记录碰撞产生的数千个粒子的轨迹、能量和类型。通过分析这些粒子的分布模式，科学家可以反推夸克胶子等离子体液滴的特性。

欧洲核子研究中心的研究表明，夸克胶子等离子体不仅是完美流体，还展现出其他奇特性质。它对高能粒子的阻力极大，就像穿过浓稠糖浆而非气体。喷注现象的研究显示，高能夸克或胶子在等离子体中损失的能量远超预期，这被称为喷注淬火效应。

原始汤的实用价值

研究宇宙诞生最初微秒的物质状态不仅仅是学术好奇。理解夸克胶子等离子体的性质对量子色动力学理论至关重要。量子色动力学描述夸克和胶子如何通过强相互作用结合成质子、中子等粒子，是标准模型的核心组成部分。

但量子色动力学方程极其复杂，在低能量条件下几乎无法精确求解。夸克胶子等离子体提供了一个特殊环境，在极高温度下，量子色动力学的计算变得相对简单。通过对比理论预测和实验观测，物理学家可以检验对强相互作用的理解是否正确。

李彦杰表示，研究夸克尾迹如何来回反弹将使我们对夸克胶子等离子体的性质有新的认识。测量尾迹的大小、速度、传播范围以及消退时间，可以推断出等离子体的黏度、热导率和其他输运性质。这些参数反过来又制约着量子色动力学在高温高密度条件下的行为。

这项技术还可能揭示夸克物质的相变细节。理论预测，当温度和密度改变时，夸克胶子等离子体可能经历类似水变冰的相变。寻找这种量子色动力学临界点是当前重离子物理的核心目标之一。通过在不同碰撞能量下测量夸克尾迹，研究人员或许能探测到相变的蛛丝马迹。

下一步探索方向

李彦杰团队计划将这种Z玻色子标记技术应用于更多数据。大型强子对撞机正在进行高亮度运行，预计未来几年将积累比当前多十倍的重离子碰撞数据。更大的数据样本将允许物理学家研究更稀有的过程，比如希格斯玻色子与夸克背对背产生的事件。

研究不同味道夸克的尾迹也很有意义。目前的研究主要关注轻夸克，但重夸克如底夸克和粲夸克可能展现不同的行为。由于质量更大，重夸克在等离子体中的运动速度较慢，产生的尾迹模式可能不同。欧洲核子研究中心大型离子对撞机实验已经在研究重夸克如何在冷却的等离子体液滴中流动。

拉贾戈帕尔和帕布洛斯的理论预测，尾迹的细节特征如振荡频率和衰减率直接关联等离子体的微观性质。如果能测量这些参数，就可能首次从实验上确定夸克胶子等离子体在不同温度下的状态方程，即压力、温度和密度之间的关系。这将是理解强相互作用物质的重大突破。

从原始汤到中子星内核

夸克胶子等离子体研究还与天体物理紧密相连。中子星内核的密度极高，可能存在类似的夸克物质。不同的是，中子星内核温度相对较低但密度极高，而大型强子对撞机产生的等离子体温度极高但密度相对较低。

理论物理学家构建的量子色动力学相图显示，夸克物质可能有多种状态。在高温低密度区域是夸克胶子等离子体，在低温高密度区域可能是色超导体，一种夸克配对形成的奇异物质。在相图的某个位置应该存在临界点，这里物质性质发生剧烈变化。

通过改变重离子碰撞的能量，物理学家可以探索量子色动力学相图的不同区域。布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机正在进行束流能量扫描计划，系统研究从低能到高能各种条件下产生的夸克物质。结合大型强子对撞机在最高能量下的发现，人类正在绘制夸克物质的完整地图。

李彦杰总结说，我们首次获得直接证据，证明夸克在运动过程中确实会带动更多等离子体。这将使我们能够以前所未有的细节研究这种奇异流体的性质和行为。通过这项实验，我们正在拍摄这种原始夸克汤的快照。

从大爆炸后数微秒的原始宇宙，到瑞士日内瓦地下100米深的粒子对撞机，人类终于触及了物质最本源的状态。那锅沸腾的夸克汤不再是理论猜想，而是可以观测、测量和理解的真实存在。每一次重离子碰撞,都是一次时间旅行，让我们得以窥见138亿年前那个炽热混沌的宇宙婴儿期。