在近期的一項新研究中，歐洲科學家團隊利用大型強子對撞機 (LHC) 以 99.9999991% 的光速將鉛粒子碰撞在一起，創造出了宇宙大爆炸后出現的第一種物質。

從這次碰撞中產生的原始物質被稱為“夸克-膠子等離子體 ”(quark-gluon plasma， 簡稱 QGP)， 其存在只持續了一瞬間。不過，這是科學家第一次探測到這種等離子體的似液態特征——流動阻力小于其他任何已知的物質——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部

研究合著者，丹麥哥本哈根大學尼爾斯·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)內是如何演化的。”

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”的時期內迅速膨脹，從而使宇宙冷卻下來，足以形成物質。科學家認為，宇宙中出現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子和中子。

通過位于瑞士日內瓦邊境的大型強子對撞機——世界上最大的原子對撞機——研究人員再現了宇宙歷史上“第一種物質”的產生過程。他們將重原子核碰撞在一起，創造出一個微小的火球，可以在極短時間內有效地將粒子融化成它們的原始形態。早在 2000 年，科學家就首次創造出了夸克-膠子等離子體，但在新研究中，他們第一次對該物質的液態性質進行了詳細探測。由于夸克-膠子等離子體的存在只持續了 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)中收集到的數據，希望了解該物質的性質及其在形成至凝聚成強子的過程中如何變化。他們發現，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，這種物質隨時間改變形狀的方式也與其他形式的物質非常不同。

這些信息將幫助科學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，科學家希望在未來的實驗中發現更多細節。更多的研究將幫助科學家了解夸克和膠子如何排列成質子和中子，并且“可能與大爆炸模型中名為量子暴脹的早期階段有關”。該研究的詳細報道已經在線發表于 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?

夸克是組成物質的最小單元，而膠子是夸克間作用的傳遞介質，就如同光子之于電磁作用。但奇怪的是，科學家并未在自然界中觀察到獨立的單個夸克，換言之，夸克在常態下是禁閉的。理論物理學家認為，在宇宙大爆炸的最初期，由于物質密度和溫度極高，導致夸克禁閉被打開，使其能自由地在大尺度內運動。這是一種全新的物質形態，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 (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的物質。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)， 產生了夸克-膠子等離子體的物質形態。之后，隨著物質進一步膨脹和冷卻，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，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，要么與質子結合形成重氫、氦等元素;從這一時期開始，化學元素陸續形成。當宇宙溫度進一步降到 100 萬度后，早期形成化學元素的過程才宣告結束，宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些較輕的原子核。當溫度降至數千度時，宇宙間主要是氣態物質，這些氣體逐漸凝聚，進一步形成恒星體系，演變為我們今天看到的宇宙。