物理学家重现宇宙大爆炸后的第一个毫秒，一种意想不到的状态

在欧洲核子研究中心大型强子对撞机的喧嚣碰撞中，物理学家们发现了宇宙最初时刻的一个令人惊讶的秘密。当两束铅离子以接近光速的速度相撞时，它们短暂地创造出一种叫作夸克-胶子等离子体的奇异物质，这正是大爆炸后最初微秒内充满整个宇宙的东西。更令人意外的是，这种物质的行为并不像一团气体，反而像一团黏稠的液体。最新的实验结果在《物理快报B》上发表，首次清晰地观测到了高能夸克穿过这种"原始汤"时留下的细微痕迹，进一步证实了这一令人困惑的现象。

这个发现挑战了物理学家长期以来的预期。理论上，在超高温度环境下，夸克和胶子应该彼此远离，表现得像一团稀薄气体。但现实却恰恰相反。大型强子对撞机的数据显示，夸克-胶子等离子体表现得更像蜂蜜而非空气。这种液体性质被称为"完美流体"，是过去二十年来高能物理最意外的发现之一。

范德堡大学物理学助理教授陈毅和她的同事想要进一步理解这种奇异物质的性质。关键问题是：高能夸克如何在这种极端环境中运动？它们会留下什么样的痕迹？这些问题的答案可能解释宇宙的基本结构。

在"浆糊"中寻找"船的尾迹"

这是大型强子对撞机上的紧凑型μ子螺线管（CMS）探测器的照片，该探测器进行了新的实验。（图片来源：赫尔佐格，塞缪尔·约瑟夫：欧洲核子研究中心）

想象一艘船在水中航行。船会向前推动水，同时船后会形成一个水位下降的凹陷。如果水流动顺畅，这个凹陷很快就会被填满。但如果水像蜂蜜一样粘稠，凹陷会持续存在更长时间。物理学家用这个比喻来理解高能夸克穿过夸克-胶子等离子体时的情况。

关键的技术困难在于，这个"尾迹"极其微弱。夸克-胶子等离子体本身只有10到14米的直径，比原子还要小一万倍。在这么微小的空间内，要区分出高能夸克本身产生的信号和它在等离子体中留下的痕迹几乎不可能。前端的碰撞信号太强了，完全淹没了后方的细微变化。

为了克服这个问题，CMS合作组的研究人员采用了一个巧妙的策略。他们利用一种被称为Z玻色子的粒子来充当参考点。Z玻色子是弱核力的载体，在某些碰撞中，它会与高能夸克同时产生，并沿相反方向反冲。Z玻色子与夸克-胶子等离子体几乎不发生相互作用，它们毫发无损地穿过碰撞区域，就像幽灵一样。这使得科学家可以精确知道夸克的原始方向和能量。

陈毅解释说："Z玻色子是弱相互作用力的来源，就等离子体而言，Z玻色子会逃逸出去，从此消失。"正是这一特性使其成为理想的校准标记。通过测量Z玻色子和强子之间的关联性，研究人员可以在夸克的后方寻找粒子产生过程中的细微变化。

微弱信号的重大意义

这是布鲁克海文实验室相对论重离子对撞机中高能碰撞产生夸克-胶子等离子体后的示意图。（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

结果出乎意料地细微。研究人员在反向方向上发现的等离子体变化不到1%。这个数字听起来微不足道，但它实际上是一个突破。这不足1%的抑制正是夸克向等离子体传递能量和动量后留下的耗尽区域的特征。这是科学家首次在Z标记事件中清晰地探测到这种能量和动量下降现象。

这个细微的凹陷携带了关于等离子体性质的重要信息。凹陷的形状和深度能够揭示等离子体流动的特性。如果等离子体粘稠如蜂蜜，凹陷会持续存在更长时间。如果等离子体流动顺畅，凹陷会快速消平。通过研究这个凹陷的演变，物理学家可以获得关于等离子体本身的信息，而无需直接测量那些与等离子体强烈相互作用的信号。

范德堡大学的陈毅表示，目前观测到的信号"仅仅是个开始"。"这项工作令人振奋的意义在于，它为我们更深入地了解等离子体的性质开辟了一条新途径。随着更多数据的积累，我们将能够在不久的将来更精确地研究这种效应，并了解更多关于等离子体的知识。"

这些发现也具有深远的宇宙学意义。科学家认为，在大爆炸后的最初微秒内，整个宇宙都被夸克-胶子等离子体所填充。随着宇宙的膨胀和冷却，这种物质逐渐冷却成质子和中子，最终形成原子。但这个时期无法通过望远镜直接观测到，因为当时的宇宙完全不透明。重离子碰撞让物理学家获得了一扇观察早期宇宙运行方式的窗口。

通过这些微弱的信号，人类正在重建宇宙最初时刻的图景。大爆炸并非一次冷漠的爆炸，而是创造出一种热烈而复杂的液体，其性质远比预期的更有趣。这些发现标志着人类对宇宙起源的理解进入了一个新阶段。