世界上最大、最强大的粒子加速器可能正在科学家的眼皮底下产生世界上最微小的液滴。研究人员正在深入研究这个亚原子谜团。

位于瑞士和法国边境地下的欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC) 是世界上最大的粒子加速器。单是它的环就近 17 英里周长。利用这一工具，科学家可以将亚原子粒子撞击在一起，以帮助他们更好地了解宇宙的微小组成部分。科学家使用 LHC 研究的一个领域是夸克胶子等离子体。

宇宙之初的汤

夸克胶子等离子体是一种难以想象的高温粘稠液体。它的能量如此之高，以至于组成可见物质的夸克和胶子从原子核中质子和中子内的正常限制中释放出来。它实际上流动得非常容易——比水容易得多——科学家认为它是一种近乎“完美”的液体。

最初，夸克胶子等离子体存在于宇宙诞生之初，即大爆炸之后。几分之一秒后，等离子体冷却下来。在此过程中，夸克和胶子结合在一起，形成了我们熟悉的质子和中子，它们构成了原子核。在日常生活中，夸克和胶子总是被束缚在质子和中子中。

目前，夸克胶子等离子体只能在地球上的两个地方产生——LHC 和美国能源部布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC，美国能源部科学办公室用户设施)。科学家对其进行研究是为了更好地了解我们宇宙的起源以及组成宇宙的粒子。

为此，科学家们对重离子进行碰撞。(重离子是比氢重的元素原子，其电子被剥离。)具体来说，LHC 对铅离子进行碰撞，RHIC 对金离子进行碰撞等。一些实验还对重离子与质子进行碰撞。

碰撞的能量如此之高，以至于胶子不再将夸克束缚在一起。夸克和胶子都从质子和中子中被释放出来。就像宇宙之初一样，等离子体迅速冷却并重新形成新的粒子。通过研究粒子的数量、类型和路径，科学家可以反向推导并获得有关夸克胶子等离子体的新细节。

识别夸克胶子等离子体的痕迹

由于夸克胶子等离子体存在的时间非常短，因此很难判断它何时形成。

当 RHIC 的科学家开始研究夸克胶子等离子体时，他们使用物理理论来确定等离子体是否形成。他们知道碰撞会产生许多粒子，但不知道它们之间的相互作用有多强。实验数据表明，流体动力学科学可以很好地描述夸克胶子等离子体。

当离子之间的碰撞部分重叠时，它们会形成不均匀的椭圆形密度分布。压力差异将粒子从密集区域推向粒子较少的区域。这形成了流动粒子的椭圆形图案。

随着科学家对夸克胶子等离子体的进一步研究，他们意识到这种椭圆形图案是其一个关键特征。这种图案证明夸克和胶子之间存在强烈的相互作用，而这种相互作用只有在夸克胶子等离子体中才能实现。

起初，科学家们认为只有重离子相互碰撞才能形成夸克胶子等离子体。但随着时间的推移，他们研究了新的组合。在离子与质子的碰撞中，他们看到了非常相似的模式。

随后，在 CERN 进行 ATLAS 合作研究的科学家(其中一些来自美国能源部的布鲁克海文国家实验室)尝试了更为激进的实验。他们研究了 LHC 中光粒子与离子碰撞时发生的情况。

光粒子碰撞

大型强子对撞机 (LHC) 已经产生了这些碰撞——科学家们只需要弄清楚如何研究它们。

当大型强子对撞机将铅离子相互轰击时，这些粒子会带正电荷。它们在移动时会产生电磁场，也就是非常明亮的光。这些电磁场会产生光粒子，称为光子。当铅离子穿过加速器管时，它们会被一团光子包围。

尽管铅离子对于原子核来说很大，但从宏观角度来看，它们仍然非常小。大多数时候，相互撞击的离子不会发生碰撞。光束中有足够的离子发生碰撞以收集数据，但也有不少险些相撞的离子。幸运的是，这次实验的科学家想要研究的正是险些相撞的离子。

当发生近距离碰撞时，围绕一个离子的光子云中的一个光子会撞上一个朝相反方向运动的离子。想象一下，为了避免在人行道上撞到某人，却用背包撞到他们——这里的光子场就是背包。由于整个光束都充满了离子，因此这种光子-离子碰撞经常发生。

数据中的模式

大型强子对撞机的科学家们发现的结果让他们大吃一惊。光子-离子碰撞后粒子的流动方式显示出与夸克-胶子等离子体相关的独特椭圆形图案。这很奇怪，因为光子根本不应该有足够的能量来熔化大质量铅核的质子和中子。这就像向冰山扔火柴一样。

但量子物理学提供了一种可能的解释。

虽然反物质听起来像是一个科幻概念，但它绝对是真实存在的。反物质粒子是物质粒子的伙伴。它们的质量相同，但电荷相反。近 100 年前，物理学家保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 预测了反物质的存在。他还预测，当物质粒子和反物质粒子相遇时，它们会相互毁灭并产生两个光子。后来的实验证明他的预测是正确的。

奇怪的是，这个过程也可以反向发生。由于量子涨落，两个光子也可以相互作用，产生一个夸克和一个反夸克。在夸克和反夸克相互毁灭之前，它们可能会形成一个非常短暂的中间粒子。粒子物理学家认为，这个中间粒子可能是 rho 介子，一种由胶子结合在一起的夸克和反夸克组成的粒子。与单个光子不同，rho 介子与铅离子碰撞可能会产生影响。

但这些都是实验数据。为了确保实验数据符合物理理论，科学家需要创建能够准确描述它的计算。

数据统计

理论学家们开始行动。在美国能源部科学办公室的支持下，美国能源部布鲁克海文国家实验室和韦恩州立大学的理论物理学家们对这些数据进行了深入研究，以进一步理解其含义。

幸运的是，他们不是从零开始。他们已经有了描述铅离子和质子碰撞的计算。这些计算是流体动力学计算——它们描述了流体的运动。

基于这一框架，科学家们调整了这些计算，以便他们也能描述近距离碰撞。第一个重大变化是适应完全不同类型的粒子与离子相互作用的事实。另一个是调整这样一个事实，即 rho 介子(中间粒子)的能量比加速器通常与离子碰撞的质子要小得多。结果，整个碰撞的能量都减少了。这改变了粒子流。

通过这些调整，理论家发现，他们对最明显流动模式的计算与 LHC 实验数据相符。

他们还得出了与大型强子对撞机科学家类似的结论——光子-离子碰撞有可能形成“强相互作用流体”。虽然这项工作没有证明这一点，但这些研究表明，这些小得多的碰撞实际上可能正在形成夸克-胶子等离子体的微小液滴。

深入挖掘

这些研究为深入研究到底发生了什么奠定了基础。未来在 LHC 和 RHIC 上进行的研究将帮助科学家弄清楚这些碰撞是否形成了夸克胶子等离子体，或者是否有其他解释。正在建设中的美国能源部科学办公室用户设施电子离子对撞机应该会提供更多见解。

夸克胶子等离子体曾经只存在于宇宙的最初阶段。但现在，我们发现它可能以我们从未预料到的方式出现在我们的实验中。有时，要更多地了解宇宙的构成要素，只需要对我们已经进行的实验有新的视角。

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