宇宙的“熱湯”

在最初時(shí)刻，嬰兒時(shí)期的宇宙充滿了由夸克和膠子構(gòu)成的溫度高達(dá)萬(wàn)億度的“熱湯”。這些基本粒子以接近光速四處飛竄，形成了“夸克膠子等離子體”（QGP），但它只持續(xù)了幾微秒（1微秒 = 1×10??秒）。隨后，這團(tuán)原初的黏稠物迅速冷卻，其中的夸克與膠子開(kāi)始結(jié)合，形成了質(zhì)子、中子以及其他基本粒子。

此外，這一滾燙無(wú)比的“熱湯”還被認(rèn)為是一種近乎“完美”的液體。換言之，QGP中的夸克與膠子會(huì)以整體的形式一起流動(dòng)，呈現(xiàn)出平滑、近乎無(wú)摩擦的流體行為。對(duì)QGP的這種認(rèn)知，源自于許多相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)與理論模型的共同支撐。例如，一個(gè)被稱為混雜子模型的理論預(yù)測(cè)：QGP會(huì)像流體一樣，對(duì)任何在其中高速穿行的粒子作出響應(yīng)。根據(jù)這一模型，當(dāng)一束夸克噴流在QGP中疾馳而過(guò)時(shí)，會(huì)在身后形成尾流，并誘發(fā)QGP隨之產(chǎn)生漣漪與飛濺。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新發(fā)表于《物理快報(bào)B》的研究中，歐洲核子研究中心（CERN）的CMS合作組通過(guò)實(shí)驗(yàn)明確地觀測(cè)到：當(dāng)夸克在QGP中高速穿行時(shí)，的確會(huì)產(chǎn)生“尾流”——這一結(jié)果首次提供了直接證據(jù)證明，QGP對(duì)高速粒子的響應(yīng)表現(xiàn)為一個(gè)單一的整體流體，而非像一個(gè)個(gè)獨(dú)立粒子那樣隨機(jī)散射。

夸克的“影子”

QGP可以在相對(duì)論性重離子碰撞中產(chǎn)生，例如在CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）等高能實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家可以讓鉛等重離子以接近光速相互猛烈對(duì)撞，進(jìn)而短暫地將夸克和膠子從束縛中“撞離”出來(lái)，從而制造并研究那種在早期宇宙最初的幾微秒里存在過(guò)的相同物質(zhì)。他們希望能夠在那短暫的一瞬間拍下“快照”，幫助他們識(shí)別QGP的特征。

為了識(shí)別夸克的尾流效應(yīng)，物理學(xué)家一直在尋找成對(duì)的夸克與反夸克。反夸克和與其對(duì)應(yīng)的夸克在許多方面都是相同的，只是某些性質(zhì)在數(shù)值大小上相等、符號(hào)卻相反。例如，當(dāng)一個(gè)夸克在等離子體中高速穿行時(shí)，很可能同時(shí)存在一個(gè)以完全相同的速度運(yùn)動(dòng)，但方向相反的反夸克。因此，物理學(xué)家會(huì)在重離子對(duì)撞產(chǎn)生的QGP中尋找夸克和反夸克對(duì)，并假設(shè)這些粒子會(huì)在QGP中留下相同且可探測(cè)的尾流。

然而，這樣做的問(wèn)題在于，當(dāng)一次產(chǎn)生了兩個(gè)夸克時(shí)，如果它們朝相反方向飛去，那么其中一個(gè)夸克會(huì)把另一個(gè)夸克的尾流遮蔽。這讓研究人員意識(shí)到：如果沒(méi)有第二個(gè)夸克來(lái)遮蔽其效應(yīng)，那么尋找第一個(gè)夸克的尾流會(huì)更容易。

尾流“標(biāo)簽”

在新的研究中，CMS合作組的物理學(xué)家決定采用一種新的方法，利用CMS實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)夸克尾流效應(yīng)的跡象。

他們并不是在鉛離子碰撞后的產(chǎn)物中尋找夸克與反夸克對(duì)，而是轉(zhuǎn)而尋找這樣一些事件：只有一個(gè)夸克穿過(guò)等離子體，并且它與一個(gè)Z玻色子幾乎呈背對(duì)背方向飛出。Z玻色子是一種電中性的、參與弱相互作用的基本粒子，幾乎不會(huì)影響周?chē)h(huán)境。由于Z玻色子出現(xiàn)在一個(gè)非常特定的能量上，因此Z玻色子相對(duì)容易被探測(cè)到。

這一探測(cè)思路源于這樣一個(gè)事實(shí)：QGP中有大量夸克與膠子在不斷掠過(guò)并彼此碰撞。有時(shí)，當(dāng)其中的某次碰撞產(chǎn)生了一個(gè)具有高動(dòng)量的Z玻色子和一個(gè)夸克時(shí)，這兩個(gè)粒子就會(huì)在相互作用后向完全相反的方向飛離——這時(shí)，夸克就有可能會(huì)留下尾流，而Z玻色子則應(yīng)該不會(huì)對(duì)周?chē)牡入x子體產(chǎn)生影響。因此，在QGP中出現(xiàn)的任何漣漪，都應(yīng)該是完全由單個(gè)夸克在其中疾速穿行所造成的。

換言之，在這一實(shí)驗(yàn)中，Z玻色子可作為一種“標(biāo)簽”，用來(lái)定位并追蹤單個(gè)夸克的尾流效應(yīng)。

明確的證據(jù)

研究團(tuán)隊(duì)梳理了CERN的重離子碰撞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。在130億次碰撞中，他們識(shí)別出大約2000個(gè)產(chǎn)生了Z玻色子的事件。對(duì)于每一個(gè)這樣的事件，他們繪制了QGP內(nèi)部各處的能量分布，并且一再觀察到一種類似流體的呈旋渦狀的飛濺圖樣——也就是尾流效應(yīng)——出現(xiàn)在Z玻色子飛行方向的反方向。研究團(tuán)隊(duì)將這些現(xiàn)象直接歸因于單個(gè)夸克在等離子體中高速穿行的作用。

在進(jìn)一步的研究中，他們還發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)中觀察到的尾流效應(yīng)與混雜子模型的預(yù)測(cè)一致。換句話說(shuō)，當(dāng)有粒子在其中高速穿行時(shí)，QGP確實(shí)會(huì)像流體那樣流動(dòng)并激起波紋。這是許多物理學(xué)家多年來(lái)一直相信必然存在卻尚未觀察到的現(xiàn)象。現(xiàn)在，新研究讓物理學(xué)家得以首次明確獲得這一現(xiàn)象的清晰證據(jù)。

未來(lái)，研究人員計(jì)劃將把這一新的技術(shù)應(yīng)用到更多粒子碰撞數(shù)據(jù)上，以便進(jìn)一步鎖定其他夸克尾流。測(cè)量這些尾流的大小、速度與延展范圍，以及它們衰退并消散需要多長(zhǎng)時(shí)間，可以幫助物理學(xué)家進(jìn)一步理解QGP的性質(zhì)，并推測(cè)QGP在宇宙最初幾微秒里可能呈現(xiàn)的行為方式。

#參考來(lái)源：

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

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

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Jose-Luis Olivares, MIT