近期，中國科學院近代物理研究所科研人員通過分析重離子碰撞后產生的粒子“指紋”，提出了一種可能揭示夸克膠子等離子體(QGP)出現的關鍵指標，為探索宇宙誕生之初的物質形態演變提供了新視角。相關成果發表在《物理快報B》(Physics Letters B)上。

圖：宇宙演化示意圖 圖源/2013 J. Phys.: Conf. Ser. 454 012051

約138億年前，在宇宙誕生后的百萬分之一秒內，整個宇宙曾處于一種超高溫高壓狀態，構成物質的基本單元不是質子和中子，而是自由的夸克和膠子，這種奇異的物質形態被稱為QGP。隨著宇宙膨脹降溫，QGP逐漸凝聚成我們熟悉的原子核。盡管科學家已在實驗室中成功制造出QGP，但要精確描繪其形成過程仍面臨巨大挑戰。

研究人員通過對不同質量原子核的碰撞模擬進行分析，發現重輕反應系統同類粒子發射比可作為揭示QGP出現的關鍵指標。

如同指紋能識別身份，不同粒子在碰撞中的產出比例蘊含著重要信息。研究團隊使用改進的多相模型模擬了鈣-40、鈣-48和金-197等不同重離子的劇烈對撞過程，重點關注Λ超子、K+介子、π介子和質子等四種粒子的產生規律。當碰撞系統從較輕的鈣-40升級到較重的金-197時，團隊發現某些特定粒子的產額比例出現了異常變化。

進一步研究發現，在包含夸克自由度的碰撞模式中，粒子產額與參與碰撞的核子數基本成正比;而在僅考慮強子作用的碰撞模式中，重系統產生的粒子數量顯著超出預期。這暗示著某種新的物理機制在起作用。該研究表明，當QGP形成時，夸克和膠子的自由流動抑制了強子間的多重散射，導致粒子產額明顯低于純強子模型的預期;反之，若未出現QGP，強子間的持續碰撞會顯著增加粒子產額。

為了驗證這一假設，研究團隊引入了PACIAE模型進行交叉驗證，進一步證實了粒子產額異常與夸克物質形成的關聯性。模擬結果顯示，部分子再散射對粒子產額的影響微乎其微，而強子再散射則顯著增加粒子產額。

該研究提出的新型探針能有效降低系統誤差及各種模型不確定性，提高探測靈敏度與可靠性，為繪制完整的QCD相圖提供了重要線索。該工作不僅深化了對高密核物質狀態的理解，也為揭示宇宙早期演化之謎提供了新的實驗思路。

本研究由近代物理所雍高產研究員團隊完成。該工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院青年團隊計劃項目的支持。