宇宙的“熱湯”

在最初時刻，嬰兒時期的宇宙充滿了由夸克和膠子構(gòu)成的溫度高達萬億度的“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，這團原初的黏稠物迅速冷卻，其中的夸克與膠子開始結(jié)合，形成了質(zhì)子、中子以及其他基本粒子。

此外，這一滾燙無比的“熱湯”還被認為是一種近乎“完美”的液體。換言之，QGP中的夸克與膠子會以整體的形式一起流動，呈現(xiàn)出平滑、近乎無摩擦的流體行為。對QGP的這種認知，源自于許多相互獨立的實驗與理論模型的共同支撐。例如，一個被稱為混雜子模型的理論預(yù)測：QGP會像流體一樣，對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中疾馳而過時，會在身后形成尾流，并誘發(fā)QGP隨之產(chǎn)生漣漪與飛濺。

現(xiàn)在，在一項新發(fā)表于《物理快報B》的研究中，歐洲核子研究中心（CERN）的CMS合作組通過實驗明確地觀測到：當(dāng)夸克在QGP中高速穿行時，的確會產(chǎn)生“尾流”——這一結(jié)果首次提供了直接證據(jù)證明，QGP對高速粒子的響應(yīng)表現(xiàn)為一個單一的整體流體，而非像一個個獨立粒子那樣隨機散射。

夸克的“影子”

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

為了識別夸克的尾流效應(yīng)，物理學(xué)家一直在尋找成對的夸克與反夸克。反夸克和與其對應(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、符號卻相反。例如，當(dāng)一個夸克在等離子體中高速穿行時，很可能同時存在一個以完全相同的速度運動，但方向相反的反夸克。因此，物理學(xué)家會在重離子對撞產(chǎn)生的QGP中尋找夸克和反夸克對，并假設(shè)這些粒子會在QGP中留下相同且可探測的尾流。

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

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實驗來探測夸克尾流效應(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，而是轉(zhuǎn)而尋找這樣一些事件：只有一個夸克穿過等離子體，并且它與一個Z玻色子幾乎呈背對背方向飛出。Z玻色子是一種電中性的、參與弱相互作用的基本粒子，幾乎不會影響周圍環(huán)境。由于Z玻色子出現(xiàn)在一個非常特定的能量上，因此Z玻色子相對容易被探測到。

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

換言之，在這一實驗中，Z玻色子可作為一種“標(biāo)簽”，用來定位并追蹤單個夸克的尾流效應(yīng)。

明確的證據(jù)

研究團隊梳理了CERN的重離子碰撞實驗的數(shù)據(jù)。在130億次碰撞中，他們識別出大約2000個產(chǎn)生了Z玻色子的事件。對于每一個這樣的事件，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。研究團隊將這些現(xiàn)象直接歸因于單個夸克在等離子體中高速穿行的作用。

在進一步的研究中，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)測一致。換句話說，當(dāng)有粒子在其中高速穿行時，QGP確實會像流體那樣流動并激起波紋。這是許多物理學(xué)家多年來一直相信必然存在卻尚未觀察到的現(xiàn)象?，F(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，研究人員計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，以便進一步鎖定其他夸克尾流。測量這些尾流的大小、速度與延展范圍，以及它們衰退并消散需要多長時間，可以幫助物理學(xué)家進一步理解QGP的性質(zhì)，并推測QGP在宇宙最初幾微秒里可能呈現(xiàn)的行為方式。

#參考來源：

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

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Jose-Luis Olivares, MIT