宇宙最初的“热汤”，真的会像流体一样流动

宇宙的“热汤”

在最初时刻，婴儿时期的宇宙充满了由夸克和胶子构成的温度高达万亿度的“热汤”。这些基本粒子以接近光速四处飞窜，形成了“夸克胶子等离子体”（QGP），但它只持续了几微秒（1微秒 = 1×10⁻⁶秒）。随后，这团原初的黏稠物迅速冷却，其中的夸克与胶子开始结合，形成了质子、中子以及其他基本粒子。

此外，这一滚烫无比的“热汤”还被认为是一种近乎“完美”的液体。换言之，QGP中的夸克与胶子会以整体的形式一起流动，呈现出平滑、近乎无摩擦的流体行为。对QGP的这种认知，源自于许多相互独立的实验与理论模型的共同支撑。例如，一个被称为混杂子模型的理论预测：QGP会像流体一样，对任何在其中高速穿行的粒子作出响应。根据这一模型，当一束夸克喷流在QGP中疾驰而过时，会在身后形成尾流，并诱发QGP随之产生涟漪与飞溅。

现在，在一项新发表于《物理快报B》的研究中，欧洲核子研究中心（CERN）的CMS合作组通过实验明确地观测到：当夸克在QGP中高速穿行时，的确会产生“尾流”——这一结果首次提供了直接证据证明，QGP对高速粒子的响应表现为一个单一的整体流体，而非像一个个独立粒子那样随机散射。

夸克的“影子”

QGP可以在相对论性重离子碰撞中产生，例如在CERN的大型强子对撞机（LHC）等高能实验中，物理学家可以让铅等重离子以接近光速相互猛烈对撞，进而短暂地将夸克和胶子从束缚中“撞离”出来，从而制造并研究那种在早期宇宙最初的几微秒里存在过的相同物质。他们希望能够在那短暂的一瞬间拍下“快照”，帮助他们识别QGP的特征。

为了识别夸克的尾流效应，物理学家一直在寻找成对的夸克与反夸克。反夸克和与其对应的夸克在许多方面都是相同的，只是某些性质在数值大小上相等、符号却相反。例如，当一个夸克在等离子体中高速穿行时，很可能同时存在一个以完全相同的速度运动，但方向相反的反夸克。因此，物理学家会在重离子对撞产生的QGP中寻找夸克和反夸克对，并假设这些粒子会在QGP中留下相同且可探测的尾流。

然而，这样做的问题在于，当一次产生了两个夸克时，如果它们朝相反方向飞去，那么其中一个夸克会把另一个夸克的尾流遮蔽。这让研究人员意识到：如果没有第二个夸克来遮蔽其效应，那么寻找第一个夸克的尾流会更容易。

尾流“标签”

在新的研究中，CMS合作组的物理学家决定采用一种新的方法，利用CMS实验来探测夸克尾流效应的迹象。

他们并不是在铅离子碰撞后的产物中寻找夸克与反夸克对，而是转而寻找这样一些事件：只有一个夸克穿过等离子体，并且它与一个Z玻色子几乎呈背对背方向飞出。Z玻色子是一种电中性的、参与弱相互作用的基本粒子，几乎不会影响周围环境。由于Z玻色子出现在一个非常特定的能量上，因此Z玻色子相对容易被探测到。

这一探测思路源于这样一个事实：QGP中有大量夸克与胶子在不断掠过并彼此碰撞。有时，当其中的某次碰撞产生了一个具有高动量的Z玻色子和一个夸克时，这两个粒子就会在相互作用后向完全相反的方向飞离——这时，夸克就有可能会留下尾流，而Z玻色子则应该不会对周围的等离子体产生影响。因此，在QGP中出现的任何涟漪，都应该是完全由单个夸克在其中疾速穿行所造成的。

换言之，在这一实验中，Z玻色子可作为一种“标签”，用来定位并追踪单个夸克的尾流效应。

明确的证据

研究团队梳理了CERN的重离子碰撞实验的数据。在130亿次碰撞中，他们识别出大约2000个产生了Z玻色子的事件。对于每一个这样的事件，他们绘制了QGP内部各处的能量分布，并且一再观察到一种类似流体的呈旋涡状的飞溅图样——也就是尾流效应——出现在Z玻色子飞行方向的反方向。研究团队将这些现象直接归因于单个夸克在等离子体中高速穿行的作用。

在进一步的研究中，他们还发现在数据中观察到的尾流效应与混杂子模型的预测一致。换句话说，当有粒子在其中高速穿行时，QGP确实会像流体那样流动并激起波纹。这是许多物理学家多年来一直相信必然存在却尚未观察到的现象。现在，新研究让物理学家得以首次明确获得这一现象的清晰证据。

未来，研究人员计划将把这一新的技术应用到更多粒子碰撞数据上，以便进一步锁定其他夸克尾流。测量这些尾流的大小、速度与延展范围，以及它们衰退并消散需要多长时间，可以帮助物理学家进一步理解QGP的性质，并推测QGP在宇宙最初几微秒里可能呈现的行为方式。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/study-infant-universes-primordial-soup-was-actually-soupy-0128

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269325008767

#图片来源：

封面图&首图：Jose-Luis Olivares, MIT