CERN研究人员证实夸克在原始汤中激起涟漪

夸克的行为像水中的鸭子

几十年来，理论物理学家一直在争论：早期宇宙中炽热致密的物质，究竟会减慢高速运动的粒子，还是让粒子不受影响地穿过？由麻省理工学院（MIT）物理学家领导的团队现在通过直接观察解决了这个问题。在CERN的大型强子对撞机（LHC）上，研究人员观察到夸克穿过夸克-胶子等离子体并留下明显的尾迹，就像鸭子划过池塘。这一直接观察结束了关于物质最早状态基本性质的长期理论争论。证据现在是具体的，而非从粒子行为的间接模型中推断出来的。

这种等离子体极其致密。

它作为一个统一的流体集体响应，产生波浪和飞溅，而不是像一群独立粒子那样行动。这是这种特定原始状态下此类行为的首个直接证据。这种集体响应暗示了一种粘度，此前仅在高能碰撞的复杂模拟中被假设存在。

“现在我们看到等离子体极其致密，以至于它能使夸克减速，并像液体一样产生飞溅和漩涡，”麻省理工学院物理学教授Yen-Jie Lee说。

在自然界中，夸克-胶子等离子体只存在几百万分之一秒，它形成于大爆炸后的最初几微秒。为了研究它，科学家让重离子以接近光速的速度碰撞。这些碰撞短暂地分离了夸克和胶子，以极少量的形式重现了新生宇宙的条件。新数据提供了这一短暂状态的一个快照。

方法与检测

Lee和他的同事开发了一种检测这些夸克尾迹的新方法。通过测量扰动的尺寸、速度和持续时间，科学家现在可以确定等离子体的关键特性。这包括尾迹传播的速度以及它们在消失前延伸的距离。

这项研究由CMS合作组进行，这是一个利用紧凑μ子线圈（Compact Muon Solenoid）探测器的全球粒子物理学家群体。该探测器是瑞士大型强子对撞机上的通用仪器之一。团队计划将这种技术应用到更多的碰撞数据中，以发现更多实例并更详细地研究它们。

了解这些特性有助于研究人员推断等离子体在宇宙最初几微秒时的行为。随着温度下降，夸克和胶子结合成质子和中子，构成了所有可见物质的基本构建块。新的洞察填补了高能粒子物理与宇宙学之间的空白。

领域背景

这一结果伴随着粒子物理领域的其他重要进展。10月6日，Francis Halzen因其在高能中微子方面的工作获得了2026年诺贝尔物理学奖。Halzen的研究使用南极冰层中的IceCube探测器进行，专注于检测来自深空的“幽灵粒子”。

虽然Halzen的工作向外望向宇宙，但CERN团队向内望向历史上能量最高的时刻。这两个领域都依赖先进的探测器来观察难以捉摸的现象。诺贝尔委员会表彰Halzen将一块巨大的冰变成科学仪器，这一壮举的雄心与LHC所需的精密工程相当。

该领域的其他近期发现包括用于粒子物理实验的量子传感器工作以及光子行为的研究。这些努力共同扩展了物理学家可用的工具包。确认夸克-胶子等离子体的类液体行为是理解塑造早期宇宙的基本力量的一大步。

结果表明，“原始汤”不是一个混乱的 mess，而是一个具有可测量粘度和响应时间的结构化流体。这对早期宇宙演化模型有影响。随着团队继续分析更多数据，最初几微秒的画面将变得越来越清晰。