從這次碰撞中產(chǎn)生的原始物質(zhì)被稱為“夸克-膠子等離子體 ”（quark-gluon plasma， 簡稱 QGP）， 其存在只持續(xù)了一瞬間。不過，這是科學(xué)家第一次探測到這種等離子體的似液態(tài)特征——流動阻力小于其他任何已知的物質(zhì)——并揭示了其在宇宙誕生瞬間的演變。
大型離子對撞機實驗內(nèi)部
研究合著者，丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所副教授 Zhou You 說：“這項研究向我們展示了夸克-膠子等離子體的演化，并最終（可能）揭示了宇宙在大爆炸后的第一個微秒 （0.000001 秒）內(nèi)是如何演化的?！?/p>
在大爆炸之后，人們認為宇宙就像一鍋“能量湯”，然后在一段稱為“暴脹”的時期內(nèi)迅速膨脹，從而使宇宙冷卻下來，足以形成物質(zhì)?？茖W(xué)家認為，宇宙中出現(xiàn)的第一種實體是夸克和膠子，前者是一種基本粒子，后者則承載著將夸克粘在一起的強大力量。隨著宇宙進一步冷卻，這些粒子形成了亞原子粒子，稱為強子（參與強相互作用的基本粒子），其中一些就是我們所知的質(zhì)子和中子。
通過位于瑞士日內(nèi)瓦邊境的大型強子對撞機——世界上最大的原子對撞機——研究人員再現(xiàn)了宇宙歷史上“第一種物質(zhì)”的產(chǎn)生過程。他們將重原子核碰撞在一起，創(chuàng)造出一個微小的火球，可以在極短時間內(nèi)有效地將粒子融化成它們的原始形態(tài)。早在 2000 年，科學(xué)家就首次創(chuàng)造出了夸克-膠子等離子體，但在新研究中，他們第一次對該物質(zhì)的液態(tài)性質(zhì)進行了詳細探測。由于夸克-膠子等離子體的存在只持續(xù)了 10 的負 23 次方秒，因此研究人員使用新的計算機模擬程序，以及從 ALICE（A Large Ion Collider Experiment， 即大型離子對撞機實驗）中收集到的數(shù)據(jù)，希望了解該物質(zhì)的性質(zhì)及其在形成至凝聚成強子的過程中如何變化。他們發(fā)現(xiàn)，夸克-膠子等離子體是一種完美的液體，即它幾乎沒有黏性或流動阻力；另一方面，這種物質(zhì)隨時間改變形狀的方式也與其他形式的物質(zhì)非常不同。
這些信息將幫助科學(xué)家了解宇宙在大爆炸后的最初階段是什么樣子的。隨著大型強子對撞機的升級，以及美國一個價值 10 億美元的新加速器上線，科學(xué)家希望在未來的實驗中發(fā)現(xiàn)更多細節(jié)。更多的研究將幫助科學(xué)家了解夸克和膠子如何排列成質(zhì)子和中子，并且“可能與大爆炸模型中名為量子暴脹的早期階段有關(guān)”。該研究的詳細報道已經(jīng)在線發(fā)表于 2021 年 5 月 11 日的《物理快報 B》（Physics Letters B）。
什么是夸克-膠子等離子體？
夸克是組成物質(zhì)的最小單元，而膠子是夸克間作用的傳遞介質(zhì)，就如同光子之于電磁作用。但奇怪的是，科學(xué)家并未在自然界中觀察到獨立的單個夸克，換言之，夸克在常態(tài)下是禁閉的。理論物理學(xué)家認為，在宇宙大爆炸的最初期，由于物質(zhì)密度和溫度極高，導(dǎo)致夸克禁閉被打開，使其能自由地在大尺度內(nèi)運動。這是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，即夸克-膠子等離子體，大量存在于大爆炸初期。描述這種夸克/膠子間的強相互作用的理論便是量子色動力學(xué) （Quantum Chromodynamics， 簡稱 QCD）。
在初始宇宙中，只存在正反夸克、輕子、膠子等基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。隨著體系的迅速膨脹，在大約幾微秒后，宇宙冷卻至幾百 MeV（1MeV 的溫度約為 1.16 × 10 ^ 10K）， 產(chǎn)生了夸克-膠子等離子體的物質(zhì)形態(tài)。之后，隨著物質(zhì)進一步膨脹和冷卻，正反夸克對形成了介子，三個夸克形成了中子、質(zhì)子等，同時電子、光子和中微子等輕子也依然活躍在宇宙中。此時，早期處于大尺度自由運動狀態(tài)的夸克、膠子由于夸克/膠子間的強相互作用被禁閉在核子內(nèi)，無法再大尺度自由活動。但由于整個體系仍在不斷膨脹，溫度繼續(xù)迅速下降，當降到 10 億度左右時，中子失去自由存在的條件，要么衰變，要么與質(zhì)子結(jié)合形成重氫、氦等元素；從這一時期開始，化學(xué)元素陸續(xù)形成。當宇宙溫度進一步降到 100 萬度后，早期形成化學(xué)元素的過程才宣告結(jié)束，宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些較輕的原子核。當溫度降至數(shù)千度時，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，這些氣體逐漸凝聚，進一步形成恒星體系，演變?yōu)槲覀兘裉炜吹降挠钪妗?/p>
