物理学家利用大型强子对撞机模拟大爆炸瞬间，发现早期宇宙呈超高温液态。夸克在其中的运动轨迹证明了这种“原始汤”的流体特性。
在宇宙大爆炸刚刚发生的瞬间，整个世界并非由我们熟悉的原子组成，而是一锅高达1万亿度的、密度极高的“原始汤”。最近，一项突破性的实验为这种奇异的原始物质像液体一样晃动和旋转提供了首个有力证据。
在科学术语中，这锅粘稠的汤被称为夸克-胶子等离子体。它是宇宙中存在过的第一种液态物质，也是最热的一种。根据科学预测，在它膨胀、冷却并凝结成原子之前，其温度比太阳表面还要高出10亿倍，但这种状态仅维持了百万分之几秒。
为了探索它的性质，来自麻省理工学院和欧洲核子研究中心的一组物理学家通过模拟重离子碰撞，试图重现这种物质。他们想弄清楚，当一个夸克穿过这种等离子体时，它是会像在粘稠液体中那样产生反弹和飞溅，还是会像穿过一堆杂乱的粒子那样随机散射？
研究人员分析了在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机内部，以接近光速碰撞的铅粒子的数据。这种极高能量的碰撞会产生喷射的夸克，同时也会产生一小滴充满早期宇宙的夸克-胶子等离子体。
通过一种比以往实验更清晰的观察策略，物理学家追踪了夸克在等离子体中的运动轨迹。麻省理工学院的物理学家 Yen-Jie Lee 表示，他们发现这种等离子体的密度极高，足以减慢夸克的速度，并像液体一样产生飞溅和漩涡。这意味着，夸克-胶子等离子体确实是一锅“原始汤”。
当夸克飞速穿过这锅汤时，会将部分能量转移给等离子体，导致自身减速，并像飞驰的快艇一样留下一道尾迹。麻省理工学院的物理学家 Krishna Rajagopal 解释说，就像船在湖面上行驶会产生向后的水流一样，夸克也将动量传给了周围的物质。
然而，在实验室里观察这道尾迹并不容易。这需要在万亿度的高温中，从数万个剧烈相互作用的粒子中筛选出极少数被尾迹排挤的粒子。而且在大型强子对撞机中，这种等离子体通常只存在千万亿分之一秒。
更棘手的是，夸克通常不会单独出现。它们总是带着一个“反夸克”伙伴，两者向相反方向飞去，各自产生尾迹，让检测变得非常混乱。
为了解决这个问题，物理学家改变了思路。他们不再寻找夸克对，而是寻找一种罕见的组合，一个夸克和一个Z玻色子。Z玻色子是一种中性基本粒子，它不与等离子体发生相互作用，因此不会产生尾迹。在分析的130亿次碰撞中，研究人员仅找到了约2000个这样的案例。正是由于Z玻色子像旁观者一样冷静，研究人员终于能够清晰地分析由单个高速夸克引起的尾迹。
实验结果正如 Krishna Rajagopal 的模型所预测的那样，夸克-胶子等离子体表现出了明显的液体行为。虽然关于它是否完全像流体一样流动的争论可能还会持续，但这项发表在 Physics Letters B 杂志上的研究，无疑为我们理解宇宙历史上最神秘的物质提供了一个全新的框架。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。
