宇宙大爆炸之后 ，宇宙瞬間變成了一鍋溫度高達(dá)萬億度的“湯”，其中充滿了難以想象的稠密等離子體。

通過重離子碰撞，研究人員證實(shí)：這種原始物質(zhì)的行為更像是一種近乎完美的液體，而不是一種高溫氣體。

因此它可以晃動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，為我們提供了觀察宇宙大爆炸后最初瞬間的罕見視角。

宇宙誕生后的最初1微秒，是人類天文觀測(cè)永遠(yuǎn)無法觸及的“黑暗紀(jì)元”。

那時(shí)的宇宙沒有穩(wěn)定的原子、質(zhì)子與中子，只有一鍋溫度超萬億攝氏度、致密到極致的粒子濃湯——夸克-膠子等離子體（QGP）。

這種極端物質(zhì)形態(tài)的物理性質(zhì)，直接決定了宇宙早期的演化路徑，卻始終因其轉(zhuǎn)瞬即逝的特性，難以被精準(zhǔn)探測(cè)。

歐洲核子研究中心（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的緊湊型μ子螺線管（CMS）國(guó)際合作組取得突破性進(jìn)展：他們首次通過全新的標(biāo)記方法，清晰捕捉到高能夸克穿過QGP時(shí)留下的極微弱尾跡，為解鎖早期宇宙的秘密提供了前所未有的干凈探針。

相關(guān)研究成果已于2025年12月正式發(fā)表在《物理快報(bào)B》上。

在我們熟悉的日常世界里，構(gòu)成原子核的質(zhì)子與中子，內(nèi)部的夸克都被強(qiáng)相互作用的“膠子紐帶”牢牢束縛，永遠(yuǎn)無法單獨(dú)存在，這就是粒子物理中的“夸克禁閉”現(xiàn)象。

但當(dāng)環(huán)境的溫度和密度提升到極端水平——相當(dāng)于把數(shù)百個(gè)原子核壓縮到單個(gè)原子核的體積內(nèi)，溫度達(dá)到1-2萬億開爾文時(shí)，強(qiáng)相互作用的束縛效應(yīng)會(huì)被徹底打破。

夸克與膠子會(huì)掙脫核子的牢籠，形成一種完全不同于常規(guī)物質(zhì)的全新物態(tài)，也就是QGP（夸克-膠子等離子體）。

長(zhǎng)期以來，粒子物理學(xué)家都將高能夸克（更精準(zhǔn)為噴注中的硬夸克）穿過QGP的過程，視為探測(cè)QGP性質(zhì)的核心探針。

道理很簡(jiǎn)單：當(dāng)一個(gè)高能夸克以接近光速穿過致密的QGP介質(zhì)時(shí)，會(huì)與介質(zhì)發(fā)生持續(xù)的強(qiáng)相互作用，將自身的能量和動(dòng)量傳遞給周圍的夸克膠子，就像高速飛行的物體穿過粘稠液體時(shí)，會(huì)在身后留下一個(gè)短暫的能量稀疏區(qū)。

這個(gè)區(qū)域的形態(tài)、存續(xù)時(shí)間，直接反映了介質(zhì)的粘滯性、流動(dòng)性等核心宏觀性質(zhì)。

但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，想要捕捉到這個(gè)“能量稀疏區(qū)”信號(hào)，難度堪比在颶風(fēng)里捕捉一聲蚊子叫。

一方面，QGP液滴的直徑僅有10^-14米，比氫原子還要小1萬倍，從產(chǎn)生到湮滅的整個(gè)過程不超過10^-23秒，根本沒有直接觀測(cè)的可能；另一方面，夸克與QGP的強(qiáng)相互作用會(huì)產(chǎn)生大量雜亂的次級(jí)粒子，完全淹沒了夸克身后的微弱尾跡信號(hào)，此前的實(shí)驗(yàn)始終無法將夸克本身的信號(hào)與介質(zhì)的響應(yīng)清晰區(qū)分開。

這次CMS合作組的突破，核心在于找到了一個(gè)完全不受QGP干擾的“絕對(duì)參照系”——Z玻色子。

作為電弱相互作用的傳播子，Z玻色子參與弱相互作用和電磁相互作用，不參與強(qiáng)相互作用，而QGP介質(zhì)的核心相互作用為強(qiáng)相互作用。

這就意味著，Z玻色子在QGP中幾乎不會(huì)與介質(zhì)發(fā)生任何相互作用，會(huì)毫發(fā)無損地離開碰撞區(qū)域，被外層探測(cè)器精準(zhǔn)捕捉。

更關(guān)鍵的是，在重離子碰撞的極端環(huán)境中，Z玻色子往往會(huì)與一個(gè)高能夸克（或膠子）成對(duì)產(chǎn)生，二者遵循動(dòng)量守恒定律，沿近乎相反的方向飛散。

這就相當(dāng)于，每一個(gè)被探測(cè)到的Z玻色子，都自帶了一份“伴生夸克說明書”：通過測(cè)量Z玻色子的能量、飛行方向，物理學(xué)家就能精準(zhǔn)反推出伴生夸克的初始能量與飛行路徑，給這個(gè)在QGP里穿行的夸克，裝了一個(gè)不受任何干擾的GPS定位器。

借助這種全新的標(biāo)記方法，CMS合作組對(duì)海量的鉛核-鉛核碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。

他們以Z玻色子的飛行方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，精準(zhǔn)鎖定伴生夸克的飛行路徑，隨后對(duì)夸克路徑后方的次級(jí)強(qiáng)子產(chǎn)額進(jìn)行了高精度測(cè)量。

最終，研究團(tuán)隊(duì)捕捉到了一個(gè)極其微弱的信號(hào)：在夸克飛行路徑的后方，強(qiáng)子產(chǎn)額出現(xiàn)了幅度不到1%的顯著抑制。

這個(gè)看似微不足道的變化，正是物理學(xué)家尋找了數(shù)十年的關(guān)鍵證據(jù)——它直接對(duì)應(yīng)著高能夸克穿過QGP時(shí)，在身后留下的能量耗盡區(qū)，也就是QGP介質(zhì)被夸克擾動(dòng)后形成的尾跡能量稀疏區(qū)。

這也是人類首次在實(shí)驗(yàn)中，通過無干擾的Z標(biāo)記方法，清晰觀測(cè)到這一極端微弱的介質(zhì)響應(yīng)信號(hào)。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)價(jià)值，遠(yuǎn)不止于首次觀測(cè)到夸克的尾跡。

此前的實(shí)驗(yàn)已證實(shí)QGP不是早期理論預(yù)測(cè)的自由粒子氣體，而是一種具有極低粘滯性的近理想流體（粘滯性接近量子力學(xué)極限）。

但受限于探針精度，始終無法對(duì)其粘滯性/熵密度比、狀態(tài)方程等核心參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)約束。

這次觀測(cè)到的尾跡，其形態(tài)、抑制幅度直接與QGP的宏觀流體性質(zhì)綁定，為QGP的近理想流體特性提供了全新的、高精度的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也為未來測(cè)量QGP的核心參數(shù)開辟了一條干凈的全新途徑。

更重要的是，這項(xiàng)成果為我們打開了觀測(cè)早期宇宙的全新窗口。

我們目前所有的天文觀測(cè)，最遠(yuǎn)只能回溯到宇宙大爆炸后38萬年的宇宙微波背景輻射——在此之前，宇宙中的光子會(huì)與自由電子、質(zhì)子持續(xù)發(fā)生湯姆遜散射，無法自由傳播，整個(gè)宇宙處于完全不透明的狀態(tài)，更不用說大爆炸后僅數(shù)微秒的QGP紀(jì)元。

而實(shí)驗(yàn)室里的重離子碰撞，相當(dāng)于在地球上人工復(fù)刻了早期宇宙的極端高溫高密環(huán)境，讓我們能通過精準(zhǔn)測(cè)量QGP的性質(zhì)，還原宇宙誕生最初瞬間的演化過程：QGP如何在宇宙膨脹冷卻中逐步強(qiáng)子化，形成質(zhì)子、中子等強(qiáng)子，最終為原子、星系的形成奠定基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)核心成員、范德堡大學(xué)物理學(xué)助理教授陳毅表示，這次的觀測(cè)僅僅是一個(gè)開始。

隨著LHC高亮度運(yùn)行階段的推進(jìn)，未來合作組將積累遠(yuǎn)超當(dāng)前量級(jí)的碰撞數(shù)據(jù)，屆時(shí)將能更精準(zhǔn)地測(cè)量尾跡的形態(tài)變化，進(jìn)一步約束QGP的核心物理性質(zhì)，一步步走近宇宙誕生的最初時(shí)刻，看清萬物起源的真相。