在过去的五年里，数百名科学家一直在长岛布鲁克海文国家实验室使用强大的新型原子对撞机来模拟宇宙诞生时存在的条件。它被称为相对论重离子对撞机（RHIC，发音为“里克”），它使两束以接近光速运动的金核束发生碰撞。这些原子核对之间的碰撞产生了极热、稠密的物质和能量爆发，以模拟大爆炸最初几微秒内发生的事情。这些短暂的“迷你爆炸”让物理学家们得以近距离观察宇宙创生的最早时刻。
在那些早期时刻，物质是一种超热、超稠密的粒子混合物，称为夸克和胶子，它们四处奔涌，随意碰撞。少量的电子、光子和其他轻基本粒子为这种“汤”增添了味道。这种混合物的温度高达数万亿度，比太阳核心温度高出10万多倍。
但是，随着宇宙膨胀，温度骤降，就像今天的普通气体在快速膨胀时会冷却一样。夸克和胶子的速度减慢了很多，以至于它们中的一些可以开始短暂地粘在一起。在将近10微秒过去之后，夸克和胶子被它们之间的强力束缚在一起，永久地锁在质子、中子和其他强相互作用的粒子中，物理学家们统称这些粒子为“强子”。材料性质的这种突变被称为相变（就像液态水结冰一样）。从最初的夸克和胶子混合物到普通的质子和中子的宇宙相变引起了科学家的强烈兴趣，他们既寻求关于宇宙如何演化到目前高度结构化状态的线索，也希望更好地理解所涉及的基本力。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
今天构成每个原子核的质子和中子是原始海洋的遗迹液滴，是微小的亚原子监狱牢房，夸克在其中来回冲撞，永远被囚禁。即使在剧烈的碰撞中，当夸克似乎即将挣脱时，也会形成新的“墙壁”来限制它们。尽管许多物理学家尝试过，但没有人亲眼目睹过一个孤立的夸克独自漂浮在粒子探测器中。
RHIC为研究人员提供了一个黄金机会，让他们观察到夸克和胶子从质子和中子中解放出来，处于一种集体的、准自由的状态，让人联想到宇宙存在的最初几微秒。理论家最初将这种混合物称为夸克-胶子等离子体，因为他们预计它的行为会像一种超热的带电粒子气体（等离子体），类似于闪电的内部。通过将重核碰撞在一起，产生短暂释放夸克和胶子的迷你爆炸，RHIC充当了一种时间望远镜，提供了早期宇宙的景象，那时超热、超稠密的夸克-胶子等离子体占据着主导地位。到目前为止，RHIC最令人惊讶的发现是，这种奇异物质的行为似乎更像是一种液体——尽管是一种具有非常特殊性质的液体——而不是气体。
释放夸克
1977年，当理论家史蒂文·温伯格出版了他的经典著作《最初三分钟》，讲述早期宇宙的物理学时，他避免对最初的百分之一秒做出任何明确的结论。“我们对基本粒子的物理学知之甚少，无法自信地计算出这种混合物的性质，”他感叹道。“因此，我们对微观物理学的无知就像一层面纱，遮蔽了我们对最初开端的看法。”
但那个十年的理论和实验突破很快开始揭开这层面纱。不仅发现质子、中子和所有其他强子都包含夸克；此外，一种关于夸克之间强力的理论——称为量子色动力学，或QCD——在20世纪70年代中期出现。该理论假设，一群由八个中性粒子组成的神秘集团，称为胶子，在夸克之间穿梭，携带将它们限制在强子中的无情力。[中断]
关于QCD特别有趣的是——与引力和电磁力等熟悉的力发生的情况相反——随着夸克彼此靠近，耦合强度变得更弱。物理学家将这种奇特的、违反直觉的行为称为渐近自由。这意味着，当两个夸克之间的距离远小于质子直径（约10-13厘米）时，它们感受到的力会减小，物理学家可以使用标准技术非常精确地计算出这种力。只有当一个夸克开始偏离其伙伴时，力才会变得真正强大，像狗链一样将粒子拉回来。
在量子物理学中，粒子之间的短距离与高能碰撞有关。因此，当粒子紧密堆积并不断发生高能碰撞时，渐近自由在高温度下变得重要。
QCD的渐近自由比任何其他单一因素都更能让物理学家揭开温伯格的面纱，并评估最初几微秒内发生的事情。只要温度超过约10万亿摄氏度，夸克和胶子的行为基本上是独立的。即使在较低的温度下，低至2万亿度，夸克也会单独游荡——尽管到那时它们已经开始感觉到限制性的QCD力在拉扯它们的后脚跟。
为了在地球上模拟如此极端的条件，物理学家必须重现最初几微秒的巨大温度、压力和密度。温度本质上是粒子群中粒子的平均动能，而压力则随着粒子群的能量密度而增加。因此，通过将尽可能高的能量挤压到尽可能小的体积中，我们最有机会模拟大爆炸中发生的条件。
幸运的是，大自然以原子核的形式提供了现成的、极其稠密的物质块。如果你能以某种方式收集一小撮这种核物质，它的重量将达到3亿吨。三十年来，在高能量下碰撞铅和金等重核的经验表明，这些碰撞期间发生的密度远远超过正常核物质的密度。产生的温度可能已超过5万亿度。
碰撞每个都包含约200个质子和中子的重核，产生的火球比单个质子碰撞（如其他高能物理实验中常用的那样）产生的火球大得多。重离子碰撞不是产生数十个粒子飞出的微小爆炸，而是产生由数千个粒子组成的沸腾火球。参与其中的粒子足够多，以至于火球的集体性质——其温度、密度、压力和粘度（其厚度或流动阻力）——成为有用、重要的参数。这种区别很重要——就像少量孤立的水分子与整个液滴的行为之间的区别。
RHIC实验
RHIC由美国能源部资助并由布鲁克海文运营，是用于产生和研究重离子碰撞的最新设施。早期的核加速器将重核束发射到静止的金属靶上。相比之下，RHIC是一种粒子对撞机，它将两束重核束碰撞在一起。由于所有可用的能量都用于产生混乱，因此对于相同的粒子速度，由此产生的正面碰撞会产生更大的能量。这很像两辆超速行驶的汽车正面相撞时发生的情况。它们的运动能量转化为几乎向各个方向飞散的零件和碎片的随机热能。
在RHIC产生的极高相对论能量下，核的速度超过光速的99.99%，对于内部的每个质子或中子，能量高达100吉电子伏特（GeV）。（1 GeV大约相当于一个静止质子的质量。）由液氦冷却的数吨液氦冷却的870个超导磁铁串引导光束围绕两个相互交织的3.8公里环形轨道运行。光束在这些环形轨道交叉的四个点发生碰撞。四个精密的粒子探测器，称为BRAHMS、PHENIX、PHOBOS和STAR，记录从这些碰撞点的剧烈碰撞中喷射出的亚原子碎片。[中断]
当两个金核以RHIC的最高可达能量正面碰撞时，它们将总共超过20,000 GeV的能量倾泻到一个微小的火球中，该火球的直径仅为万亿分之一厘米。原子核及其组成质子和中子实际上融化了，并且从所有可用的能量中产生了更多的夸克、反夸克（夸克的反物质对应物）和胶子。在典型的碰撞中，短暂释放出超过5,000个基本粒子。碰撞瞬间产生的压力是巨大的，是大气压的1030倍，火球内部的温度飙升至数万亿度。
但是大约在万亿分之一万亿分之一秒（5 × 10-23秒）之后，所有的夸克、反夸克和胶子重新组合成强子，向外爆炸到周围的探测器中。在强大的计算机的帮助下，这些实验试图尽可能多地记录到达探测器的数千个粒子的信息。其中两个实验BRAHMS和PHOBOS相对较小，专注于观察碎片的特定特征。另外两个实验PHENIX和STAR是围绕巨大的通用设备建造的，这些设备用数千吨的磁铁、探测器、吸收器和屏蔽材料填充了三层楼高的实验大厅。
RHIC的四个实验由60到500多名科学家的独立国际团队设计、建造和运行。每个小组都采用了不同的策略来应对RHIC事件巨大复杂性带来的艰巨挑战。BRAHMS合作组选择专注于原始质子和中子的残余物，这些残余物沿着接近碰撞金核方向的速度快速前进。相比之下，PHOBOS观察尽可能宽的角度范围内的粒子，并研究它们之间的相关性。STAR围绕世界上最大的“数码相机”建造，这是一个巨大的气体圆柱体，可提供光束轴周围大孔径中发射的所有带电粒子的三维图像。PHENIX搜索在碰撞早期产生的特定粒子，这些粒子可以毫发无损地从沸腾的夸克和胶子大锅中浮现出来。因此，它提供了火球内部深度的X射线肖像。
完美的惊喜
从四个实验中浮现出来的物理图景是一致且令人惊讶的。夸克和胶子确实突破了束缚并集体行为，即使只是短暂的。但是这种热混合物的行为像液体，而不是理论家预期的理想气体。
两个金核之间的正面碰撞中实现的能量密度是惊人的，大约是核自身能量密度的100倍——这主要是由于相对论。从实验室的角度来看，两个原子核在相遇之前都被相对论性地压平成超薄的质子和中子盘。因此，它们的所有能量都在撞击瞬间被塞进一个非常小的体积中。物理学家估计，由此产生的能量密度至少是释放夸克和胶子所需的能量密度的15倍。这些粒子立即开始向各个方向飞射，反复相互碰撞，从而将其能量重新分配为更热的分布。
这种热稠密介质快速形成的证据来自一种称为射流猝灭的现象。当两个质子在高能量下碰撞时，它们的一些夸克和胶子可能会几乎正面相遇并反弹，从而导致狭窄的、背靠背的强子喷雾（称为射流）向相反方向喷射出来。但是，PHENIX和STAR探测器在金核之间的碰撞中只目睹了这种对的一半。孤立的射流表明，单个夸克和胶子确实在高能量下碰撞。但是另一半射流在哪里呢？反弹的夸克或胶子一定已经冲入刚刚形成的热稠密介质；然后，它的高能量将被与低能量夸克和胶子的多次近距离接触所耗散。这就像向水中射击子弹；几乎所有的子弹能量都被慢速移动的水分子吸收，并且它无法穿透到另一侧。[中断]
夸克-胶子介质的液态行为的迹象在RHIC实验的早期就出现了，以椭圆流现象的形式出现。在稍微偏离中心的碰撞中——这通常是这种情况——出现的强子以椭圆分布到达探测器。在相互作用平面内喷射出的高能强子比垂直于相互作用平面的高能强子更多。椭圆图案表明，夸克-胶子介质中一定存在巨大的压力梯度，并且形成这些强子的夸克和胶子在变回强子之前是集体行为的。它们的行为像液体——也就是说，不是气体。如果是气体，强子将均匀地向所有方向喷射出来。
夸克-胶子介质的这种液体行为必然意味着这些粒子在形成后立即进行的短暂解放时刻彼此之间发生相当强烈的相互作用。它们相互作用强度的降低（由QCD的渐近自由引起）显然被新解放粒子数量的急剧增加所淹没。这就像我们可怜的囚犯已经越狱，却发现自己不幸地陷入了监狱院子的拥挤之中，与所有其他逃脱者挤在一起。由此产生的紧密耦合的舞蹈正是液体中发生的事情。这种情况与最初描绘的这种介质作为几乎理想的、弱相互作用气体的天真理论图景相冲突。椭圆不对称性的详细特征表明，这种令人惊讶的液体流动时几乎没有粘度。它可能是迄今为止观察到的最完美的液体。
新兴的理论图景
计算在几乎难以想象的密度下被挤压并以接近光速向外爆炸的夸克和胶子液体中发生的强相互作用是一项巨大的挑战。一种方法是使用专门为此问题设计的大型微处理器阵列对QCD进行蛮力求解。在这种所谓的格子QCD方法中，空间被离散的点阵格近似（想象一下Tinkertoy结构）。QCD方程通过在格子上的逐次逼近来求解。
使用这种技术，理论家们计算了压力和能量密度等性质作为温度的函数；当强子转化为夸克-胶子介质时，这些性质都会急剧增加。但是，这种方法最适合介质处于热力学平衡的静态问题，这与RHIC迷你爆炸中快速变化的条件不同。即使是最复杂的格子QCD计算也无法确定射流猝灭和粘度等动态特征。尽管预计强相互作用粒子系统的粘度会很小，但由于量子力学，它不可能完全为零。但是，回答“它可以低到什么程度？”这个问题已被证明是出了名的困难。
值得注意的是，帮助来自一个意想不到的领域：量子引力的弦理论。普林斯顿高等研究院的理论家胡安·马尔达西那提出的一个非凡的猜想，在弯曲的五维空间中的弦理论和存在于该空间四维边界上的类QCD粒子理论之间建立了令人惊讶的联系[参见胡安·马尔达西那的《引力的错觉》；《大众科学》，2005年11月]。这两种理论在数学上是等价的，尽管它们似乎描述的是截然不同的物理学领域。当类QCD力变得强大时，相应的弦理论变得微弱，因此更容易评估。粘度等在QCD中难以计算的量在弦理论中具有对应物（在这种情况下，是黑洞对引力波的吸收），这些对应物更容易处理。从这种方法中，涌现出一个非常小但非零的特定粘度下限——仅约为超流体氦的十分之一。很有可能，弦理论可能有助于我们理解夸克和胶子在大爆炸最初的几微秒内的行为。[中断]
未来的挑战
令人惊讶的是，有史以来遇到的最热、最稠密的物质远远超过所有其他已知流体，接近完美状态。这种情况是如何以及为什么发生的，是RHIC物理学家现在面临的巨大实验挑战。来自这些实验的大量数据已经迫使理论家重新考虑关于早期宇宙物质的一些珍视的想法。过去，大多数计算都将自由夸克和胶子视为理想气体而不是液体。QCD理论和渐近自由没有任何危险——没有证据反驳基本方程。争论的焦点是理论家用来从方程中得出结论的技术和简化假设。
为了解决这些问题，实验人员正在研究从迷你爆炸中涌现出来的不同种类的夸克，特别是较重的种类。当夸克最初在1964年被预测时，人们认为它们有三种类型：上夸克、下夸克和奇异夸克。质量低于0.15 GeV，这三种夸克及其反夸克在RHIC碰撞中大量产生，并且数量大致相等。另外两个夸克，被称为粲夸克和底夸克，在20世纪70年代出现，质量分别大得多，约为1.6 GeV和5 GeV。由于需要更多的能量才能产生这些重夸克（根据E = mc2），它们在迷你爆炸的早期（当能量密度较高时）出现，并且频率低得多。这种稀有性使它们成为追踪迷你爆炸早期演化中形成的流动模式和其他性质的宝贵示踪剂。
PHENIX和STAR实验非常适合进行此类详细研究，因为它们可以探测高能电子和其他称为μ子的粒子，这些粒子通常来自这些重夸克的衰变。然后，物理学家将这些和其他衰变粒子追溯到它们的起源点，从而提供关于产生它们的重夸克的关键信息。凭借其更大的质量，重夸克可能具有不同于其数量多得多的同类的流动模式和行为。测量这些差异应有助于梳理出预期的小残留粘度的精确值。
粲夸克还有另一个有用的特性，可用于探测夸克-胶子介质。通常，大约1%的粲夸克与粲反夸克紧密结合产生，形成称为J/ψ的中性粒子。两个伙伴之间的距离仅约为质子半径的三分之一，因此J/ψ的产生率应该对短距离夸克之间的力敏感。理论家预计，由于周围的光夸克和胶子群会倾向于屏蔽粲夸克和反夸克彼此，从而导致J/ψ的产生减少，因此这种力会下降。最近的PHENIX结果表明，J/ψ粒子确实溶解在流体中，类似于早期在欧洲核子研究中心（CERN，日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室）观察到的情况[参见格雷厄姆·P·柯林斯的《自由夸克的火球》，新闻与分析；《大众科学》，2000年4月]。由于涉及更高的密度，预计在RHIC中会发生更大的J/ψ抑制，但早期结果表明，某些竞争机制，例如J/ψ粒子的重组，可能会在这些密度下发生。进一步的测量将通过寻找其他对重夸克并观察它们的产生是否以及如何受到抑制来关注这个谜团。
正在追求的另一种方法是尝试通过夸克-胶子流体自身的光来观察它。这些粒子的热汤应该像闪电一样短暂地发光，因为它会发射出毫发无损地逃离介质的高能光子。正如天文学家通过遥远恒星的光谱测量其温度一样，物理学家正在尝试使用这些高能光子来确定夸克-胶子流体的温度。但是，到目前为止，测量这个光谱已被证明是极具挑战性的，因为许多其他光子是由称为中性π介子的强子的衰变产生的。尽管这些光子是在夸克-胶子流体恢复为强子之后很久才产生的，但当它们到达探测器时，它们看起来都一样。[中断]
许多物理学家现在正在为欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的下一个能量前沿做准备。从2008年开始，那里的实验将观察铅核在总能量超过100万GeV的情况下发生的碰撞。一个由1000多名物理学家组成的国际团队正在建造巨大的ALICE探测器，该探测器将PHENIX和STAR探测器的功能整合到一个实验中。LHC产生的迷你爆炸将短暂达到RHIC碰撞中发生的能量密度的几倍，并且其中达到的温度应轻松超过10万亿度。然后，物理学家将能够模拟和研究大爆炸最初微秒内发生的条件。
首要问题是RHIC观察到的液态行为是否会在LHC遇到的更高温度和密度下持续存在。一些理论家预测，一旦夸克的平均能量超过1 GeV（这将在LHC中发生），夸克之间的力就会变弱，并且夸克-胶子等离子体最终将开始表现得像预期的那样——像气体一样。其他人则不那么乐观。他们认为，QCD力在这些更高的能量下不会下降得足够快，因此夸克和胶子应该保持紧密耦合的液体状态。关于这个问题，我们必须等待实验的结论，这很可能会带来其他惊喜。