利用世界上最強大的粒子加速器——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，科學家們發現，大爆炸後僅百萬分之一秒內充滿宇宙的萬億度高溫原始“湯”實際上表現得像液體，使其類似於真正的湯。
這種原始湯由稱為夸克和膠子的粒子等離子體組成，它們迅速冷卻，導致這兩種類型的粒子融合併產生質子和中子等基本粒子，這些粒子今天位於構成我們周圍物質的所有原子的核心。如今，夸克和膠子僅局限於它們構成的粒子，但有一個例外。通過使用以下方法將以光速行進的重鉛原子粉碎在一起 大型強子對撞機 （大型強子對撞機），科學家們可以創造一個高能環境，短暫地將膠子和夸克從這種原子囚禁中釋放出來，重建夸克-膠子等離子體 早期宇宙。
“等離子體是否應該對夸克做出反應，在我們的領域一直是一個長期爭論，”團隊成員、麻省理工學院物理學教授 Yen-Jie Lee 說。 在一份聲明中說。 “現在我們看到等離子體非常密集，因此它能夠減慢夸克的速度並像液體一樣產生飛濺和漩渦。”
為了觀察運動粒子在夸克-膠子等離子體中產生的尾流，Lee 和同事使用大型強子對撞機的緊湊型介子螺線管 (CMS) 探測器開發了一種技術，該技術還允許他們測量這些尾流的大小、速度和範圍，以及它們衰變和消散所需的時間。這些信息對於更好地理解夸克-膠子等離子體的特性及其在宇宙最初幾微秒內的行為至關重要。
“研究夸克尾流如何來回反彈將使我們對夸克-膠子等離子體的特性有新的認識，”李說。 “通過這個實驗，我們得到了這種原始夸克湯的快照。”
你可能想把這湯煮一會兒
夸克-膠子等離子體不僅是宇宙中存在的第一種流體，而且在數万億度的溫度下，它也是有史以來存在的最熱的流體。原始湯被認為是一種近乎完美的流體，這意味著它的夸克和膠子內容物作為一種光滑、無摩擦的流體流動在一起。
儘管夸克-膠子等離子體有許多模型，但一種稱為“混合模型”的理論表明，當粒子高速穿過這種原始湯時，它應該像任何其他液體一樣發生反應。在混合模型中，穿過夸克-膠子等離子體的夸克射流應該會產生尾流，因為它會導致等離子體海洋產生波紋和噴射。
大型強子對撞機和其他粒子加速器已經進行了許多實驗，試圖觀察這種效應的實際情況。這些實驗只有通過以近光速將重電荷原子或重離子撞擊在一起才能實現，這可以產生生命不超過萬億分之一秒的原始湯滴。科學家們繼續嘗試拍攝這個原始肩部的照片，以了解夸克-膠子等離子體的特徵。
為了確定夸克-膠子等離子體中的激發，科學家們一直在尋找夸克對及其反物質對應物（稱為反夸克）。當夸克穿過等離子體時，必然存在反夸克，其以完全相同的速度但方向相反。根據混合模型，這兩種粒子應該產生不同的尾流。聽起來很簡單，但這湯裡有一隻蒼蠅。
“當產生兩個夸克時，問題在於，當兩個夸克朝相反方向運動時，單個夸克會掩蓋第二個夸克的尾跡，”李解釋道。該團隊意識到，如果沒有第二夸克遮擋，尋找夸克的通道會更簡單。
“我們發現了一種新技術，可以讓我們通過一對不同的粒子來觀察夸克-膠子等離子體中單個夸克的影響，”李補充道。
克魯頓玻色子
Lee和他的同事沒有尋找成對的夸克，而是尋找與一種稱為Z玻色子的中性基本粒子一致運動的夸克，這種粒子對其周圍環境影響很小。 Z 玻色子的優點是它們具有特定的能量，這使得它們相對容易被檢測到。
“在這個夸克-膠子等離子體湯中，有很多夸克和膠子相互傳遞和碰撞，”李說。 “有時，當我們幸運時，其中一次碰撞會產生 Z 玻色子和高動量夸克。”
在這種情況下，夸克和Z玻色子應該相互碰撞並沿相反方向彈跳，夸克會留下尾跡，但Z玻色子不會留下尾跡，因為它對周圍的夸克-膠子等離子體缺乏影響。這意味著在這種情況下任何明顯的漣漪都僅由一個夸克產生。
在觀察大型強子對撞機的 130 億次碰撞後，Lee 和團隊發現了大約 2000 個產生 Z 玻色子的案例。在這些事件中，科學家們反復觀察到噴霧的流體模式，其運動方向與他們檢測到的 Z 玻色子的方向相反。他們確定，這就是夸克激發的預期效果。事實上，觀察到的模式與混合夸克-膠子等離子體模型做出的波紋預測是一致的。
“我們獲得了第一個直接證據，表明夸克在傳播時確實會拖曳更多的等離子體，”李總結道。 “這將使我們能夠以前所未有的細節研究這種奇異液體的特性和行為。”
團隊研究成果發表 發表於《物理快報 B》雜誌。
