大型强子对撞机首次清晰观测宇宙原初夸克 - 胶子等离子体

4 月 9 日消息，全球最强大的粒子加速器 —— 大型强子对撞机，让科学家们迄今得以最清晰地观测夸克-胶子等离子体，这种原始物质在宇宙大爆炸后的极短瞬间充斥了整个宇宙。

在宇宙诞生后的最初几分之一秒内，宇宙空间被一种炽热且致密的“原始汤”填满，这就是夸克-胶子等离子体。欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们，在深埋于法国阿尔卑斯山脉下方、周长近 17 英里（注：约 27.4 公里）的环形粒子加速器 —— 大型强子对撞机（LHC）中，通过将铁原子核以接近光速的速度对撞，重现了夸克-胶子等离子体。该项目名为 ALICE（大型离子对撞机实验，A Large Ion Collider Experiment）。

ALICE 合作组发现了一种在三种碰撞中均存在的共性模式，据此获得了关于夸克-胶子等离子体（进而了解早期宇宙状态）的新信息。这种模式普遍存在于质子（位于原子核心的粒子）之间、质子与铅原子核之间，以及铅原子核自身的对撞过程中。该现象有望揭示夸克-胶子等离子体在大爆炸后是如何形成的，表明其形成所需的粒子碰撞规模可能比此前认知的更小。

科学家最初在大型强子对撞机开展质子对撞实验时曾提出理论：质子之间以及质子与铅之间的对撞规模过小，无法产生夸克-胶子等离子体。但近期，研究人员不仅在铅核对撞中，还在这类小型对撞实验里发现了这种原始物质的诱人迹象。

夸克-胶子等离子体及其形成的特征之一，是粒子并非均匀发射，而是沿特定方向喷射，科学家将这一现象称为各向异性流。在中等速度下，粒子的各向异性流与其构成的夸克数量相关。重子（由三个夸克构成的粒子）表现出的流动强度，高于介子（由两个夸克构成的粒子）。

科学家推测，这一现象与夸克聚合形成更大粒子的过程有关。重子所含夸克更多，因此流动效应更强。

在一项最新研究中，ALICE 合作组阐述了他们如何测量质子-质子、质子-铅对撞产生的不同介子与重子的各向异性流。通过对同步流动的粒子进行分离分析，团队证实，与重离子对撞的结果一致，这类轻粒子对撞在中等速度下同样会产生流动更强的重子和流动更弱的介子。

ALICE 实验物理协调员戴维 · 多布里格凯特 · 奇内拉托在一份声明中表示：“这是我们首次在产生异常大量粒子的部分质子对撞中，于较大动量区间内观测到多种粒子的这类流动模式。我们的研究结果支持了一个假说：即便对撞系统规模很小，依然存在不断膨胀的夸克体系。”

ALICE 团队将观测到的流动现象与夸克-胶子等离子体形成模型进行对比，发现该流动模式与纳入重子和介子形成机制的模型高度吻合。然而，未考虑夸克聚合效应的模型，则无法复现观测到的流动模式。

研究人员还发现，即便拟合度最优的模型，也无法完全解释观测到的流动现象，仍存在部分尚未解决的差异。团队认为，借助质子与铁之间尺度的粒子对撞实验，有望厘清这些问题。

ALICE 发言人凯 · 施韦达在声明中称：“我们期待，通过 2025 年记录的氧核对撞数据 —— 这类实验填补了质子对撞与铅核对撞之间的研究空白 —— 能让我们对夸克-胶子等离子体在不同对撞系统中的本质与演化过程获得全新认知。”

届时，科学家将更进一步揭开宇宙诞生之初的环境奥秘。

相关研究论文已于 3 月 20 日发表在《自然 · 通讯》期刊上。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67795-1