想象一下，你有一台显微镜，可以让你近距离观察单个原子。假设它是氢原子，最小的一种。放大观察绕外围轨道运行的单个电子，你会发现原子核——在这种情况下是一个单独的质子。高中物理会让你相信，在这个质子内部，你会发现一个由三个基本粒子组成的简单三元组，称为夸克——两个上夸克和一个下夸克。但质子内部的现实要复杂得多，物理学家仍在试图弄清其内部结构以及其组成部分如何结合以产生其质量、自旋和其他性质。
质子内部基本图景中的三个夸克仅仅是“价夸克”——漂浮在夸克和反夸克（它们的反物质对应物）的汹涌海洋之上的浮标，以及将它们粘合在一起的粘性“胶子”粒子。质子内部的夸克和胶子总数始终在变化。夸克-反夸克对不断地产生和消失，胶子倾向于分裂和倍增，尤其是在质子加速时。这基本上是纯粹的混乱。强力——自然界四种基本力中最强大的一种——将这种混乱限制在质子和中子的内部。除非情况并非如此。
在大爆炸后的最初极短瞬间，宇宙太热太稠密，强力无法将夸克和胶子束缚在一起。相反，它们变成了一个海洋——一种几乎没有阻力地流动的完美粒子液体，称为夸克-胶子等离子体。宇宙历史的这个阶段很快就结束了。在10-6 秒内，夸克和胶子被禁锢在质子和中子内。但随后，在137亿年后，物理学家学会了如何在粒子加速器内部重现夸克-胶子等离子体。当两个大型原子核（例如金）以接近光速的速度碰撞时，碰撞会产生形成夸克-胶子等离子体液滴所需的温度和压力，但只是短暂存在，然后就会瓦解。
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捕捉这些碰撞的机器是高耸的建筑，成堆的探测器和仪器排列成同心环，所有这些都与数千根电线连接。去年，当我参观了布鲁克海文国家实验室长岛园区的其中两台机器时，我对大型技术团队爬上多层脚手架以接近这些设备所做的艰苦工作感到惊叹。站在这样一个庞然大物下面，感觉就像见证了人类可以达到的顶峰——这些是有史以来建造的规模最大、结构最复杂的机器之一，所有这些都是为了研究比原子还小的原始粘液滴。研究夸克-胶子等离子体液滴让科学家有机会了解物质是如何开始的。“这就是大约在大爆炸后10微秒时充满整个宇宙的东西，”布鲁克海文理论物理学家比约恩·申克说。“研究它使我们能够尽可能地回到过去。”
这项研究也是了解强力的窗口，强力是所有自然力中最不为人所知的一种。描述这种力的理论称为量子色动力学（QCD），它非常复杂，科学家几乎永远无法直接用它来计算任何东西。他们能做的最好的事情是使用运行模拟的超级计算机来获得近似答案。“作为人类，我们想要理解自然，而理解自然的一部分是理解量子色动力学和强力，”布鲁克海文核粒子物理学副实验室主任物理学家高海燕说。“我们需要对夸克-胶子等离子体进行实验，以了解这个理论是如何运作的。”
2023年4月，布鲁克海文的科学家将启动旨在研究夸克-胶子等离子体的最新实验。该装置名为sPHENIX，是该实验室相对论重离子对撞机（RHIC）的两个探测器之一，RHIC是世界上最大的粒子加速器之一。那里的另一个探测器，RHIC螺线管跟踪器（STAR），也在重大升级后重新开放。在大西洋彼岸的日内瓦附近欧洲核子研究中心CERN物理实验室，全球最大的加速器大型强子对撞机（LHC）最近也开始了新的运行，升级后的探测器使其能够一次撞击更多的原子。这些工具共同作用，应该能够揭示迄今为止最详细的原始流体图像，使我们更接近解开物质最微小组成部分的秘密。
粒子在RHIC的2.4英里环形轨道上以接近光速的速度循环，然后在sPHENIX等探测器内部碰撞。图片来源：克里斯托弗·佩恩
一项令人惊讶的发现
科学家在发现夸克-胶子等离子体之前很久就预测了它的存在——尽管他们预计它的形式会非常不同。这些预测出现在20世纪70年代和80年代，此前在20世纪60年代后期发现了夸克，并在1979年发现了胶子。物理学家预计，当夸克和胶子从原子核中释放出来时，会呈现出均匀膨胀的气态物质的形式。“通常，流体在变热时会变成气体，”杜克大学物理学家伯恩特·穆勒说，他从20世纪80年代开始研究夸克-胶子等离子体的理论模型。这是一个合理的假设：只有当温度达到数万亿度时，夸克和胶子才会从原子核中释放出来。
穆勒被这个领域吸引，是因为理论可能性非常广泛，而且实验数据即将开始到来。“那时我大约30岁，你环顾四周，寻找你可以从事的新事物，在那里你可以发现很多有趣的东西。”在这个时代，物理学家正在开发将重离子——内部有数十个质子和中子的原子核——碰撞在一起的技术，他们预计这些碰撞会产生足以分解亚原子粒子的温度和密度。最早的重离子碰撞发生在20世纪70年代的劳伦斯伯克利国家实验室，但能量不足以产生夸克-胶子等离子体，但在1986年，CERN的超质子同步加速器（SPS）开始了它自己的重离子碰撞，这些碰撞产生了新物质状态的第一个证据。
这花了一段时间。CERN团队最终在2000年宣布了他们的发现，但即使在那时，研究人员对于数据是否足够有力来声称这是一项发现仍存在分歧。同年，布鲁克海文的RHIC开放，并开始以高于SPS的能量撞击重离子。在五年内，这个加速器积累了足够的数据，物理学家宣布正式发现了夸克-胶子等离子体。
它与他们想象的不同。夸克-胶子等离子体看起来不像膨胀气体，而像液体——一种近乎完美的液体，几乎没有粘度。在气体中，粒子单独行动；在液体中，粒子有凝聚力地移动。粒子之间的相互作用越强——它们彼此之间能够拉动的力越大——液体作为液体的“性能”就越好。RHIC的观测表明，夸克-胶子等离子体对流动的阻力比以往任何已知物质都小。穆勒说，这“非常出乎意料”。
图片来源：杰森·德雷克福德
2010年，RHIC的研究人员宣布了夸克-胶子等离子体温度的首次测量结果。温度高达惊人的4万亿摄氏度，远高于人类创造的任何其他物质，大约是太阳中心温度的25万倍。“通常，物质变得越热，它就越不可能是完美的流体，”穆勒说。“但在这种情况下，情况恰恰相反——当你达到临界温度时，它会变成液体。”科学家怀疑强力是这种奇怪行为背后的原因。当粒子的温度足够高以至于可以从质子和中子中逃逸出来时，强力会作用于整个等离子体，导致粒子的集体质量彼此强烈相互作用。
强力之谜
关于夸克-胶子等离子体，最大的未解之谜之一是，夸克和胶子究竟何时突破它们的禁闭。“普通物质和夸克-胶子等离子体之间的界限在哪里？”高海燕问道。“核物质和夸克-胶子等离子体共存的所谓临界点在哪里？” 了解这种转变发生在何处，以及需要多少粒子才能引发集体行为，将是新的和升级的实验的主要目标之一。
另一个问题是夸克-胶子等离子体是否是分形——也就是说，它的结构是否具有复杂的、重复的模式，无论你放大还是缩小，它看起来都一样。一些研究人员一直在争论夸克-胶子等离子体具有这两个特性，并且分形理论可以为等离子体的行为提供见解。“有证据表明，我们在夸克-胶子等离子体中具有分形结构，”圣保罗大学物理研究所的物理学家艾尔顿·德普曼说。“我们还在研究分形结构是否在从等离子体到质子的相变中幸存下来。”
回答这些问题可能有助于实现一个更大的目标：理解强力，这是自然界最令人困惑的基本力。量子色动力学通过赋予夸克和胶子一种称为色荷的属性来描述它们之间的相互作用。这种色荷类似于电磁理论中的电荷，它也解释了为什么量子色动力学如此迅速地失控。虽然电磁学只有两种电荷——正电荷或负电荷——但QCD有三种——红、绿或蓝。反物质粒子可以携带反红、反绿或反蓝电荷。
在电磁学中，携带电磁力的粒子——光子——本身是电中性的，这使得事情相对简单。然而，在QCD中，力的载体——胶子——也携带色荷，并且可以通过强力与自身以及夸克相互作用。这些自相互作用和额外的电荷使得QCD变得极其复杂。“你基本上可以用两行字写下这个理论，但实际上解决它还没有真正实现，”申克说。“禁闭过程——例如，胶子和夸克是如何被困在质子中的——还没有得到解决。”
在RHIC的隧道内，“随机冷却踢球器”将环内的粒子推得更近，以纠正它们在行进过程中扩散的趋势。这确保了尽可能多的粒子在探测器内部碰撞。图片来源：克里斯托弗·佩恩
科学家希望，研究夸克-胶子等离子体——科学家唯一能够探测未束缚夸克的情况——可以揭示更多关于禁闭如何工作的信息。“获得信息的一种方法是释放它们，看看它们如何再次重组为质子、中子和我们可以从探测器中观察到的其他粒子，”申克补充道。因此，来自重离子碰撞的实验数据可以用来更好地理解QCD内部导致禁闭的机制。
新的和改进的
借助RHIC的新实验sPHENIX和升级后的STAR探测器，科学家应该能够对等离子体进行最精确的测量。例如，sPHENIX有一个超导磁体，其强度大约是STAR的三倍。“这对于我们想要测量的许多事物都很重要，”布鲁克海文物理学家大卫·莫里森说，他正在研究这台新机器。“如果你发生碰撞，粒子会向四面八方飞出，然后磁场会弯曲它们的路径。我们可以通过观察这一点来开始解开它是什么类型的粒子，以及它有多少能量和动量？” 该团队希望发现称为Upsilon的复合粒子。Upsilon包含一个底夸克和一个反底夸克，可以在碰撞中形成，然后穿过夸克-胶子等离子体，充当测试探针，以揭示等离子体如何改变它们。“我们可以真正解开许多夸克-胶子等离子体奇怪特性背后的物理学，”他补充道。
该实验还将受益于能够记录更多的数据——这意味着比以前可能的更多的碰撞和它们产生的粒子。STAR每年捕获约10拍字节的数据；sPHENIX每年将捕获约150拍字节的数据。这种增加将使以前无法回答的问题变得触手可及。
STAR还具有新的功能，例如用于测量粒子能量的新型量热计和用于识别具有不同电荷的粒子的跟踪探测器。布鲁克海文的STAR发言人之一李娟阮表示，最重要的补充之一是“前向”探测器，它可以记录以比以前更宽的角度飞出碰撞的粒子，包括与输入碰撞的光束方向相同的粒子。“现在基本上就是这样了——我们不会再升级了，”阮说，她多年来一直在STAR工作，并且在大约20年前作为研究生时帮助建造了它的一些早期组件。“当您只是使用探测器时，与您实际构建它并让整个合作团队可以使用它时，感觉是不同的，”她说。“我感到自豪。” STAR是帮助发现夸克-胶子等离子体的最初RHIC实验之一，将在关闭前再运行三年。
在欧洲，LHC最近开始了第三次运行，该运行于2022年7月开始，并将持续到2025年。经过最新的升级，LHC科学家可以分析的铅-铅碰撞次数大约是前两次运行期间的100倍。额外的碰撞也将提高测量的精度。“第三次运行的重要目标之一是精确量化夸克-胶子等离子体的性质，并将它们与其组成部分的动力学联系起来，”LHC的ALICE实验成员卢西亚诺·穆萨说。
与RHIC实验相比，LHC碰撞发生在更高的能量下，并产生更热、更密集和寿命更长的夸克-胶子等离子体。这些高能碰撞还产生了更多种类的粒子，科学家可以用它们来探测等离子体的性质。“RHIC和LHC的研究确实是相辅相成的，”穆萨说。“在不同能量尺度下以及在CERN和RHIC使用不同碰撞系统研究相对论核碰撞的性质，使我们能够更深刻、更全面地理解核物质。”
不同的能量范围揭示了等离子体的不同方面。范德比尔特大学的物理学家拉加夫·昆纳瓦尔卡姆·埃拉亚瓦利在LHC完成了他们的博士学位工作，但最近成为STAR和sPHENIX合作团队的成员，专注于来自低能量碰撞的粒子。“它们更接近等离子体的尺度；它们与等离子体进行了更多的对话，”昆纳瓦尔卡姆·埃拉亚瓦利说。“把它想象成一个派对：有很多人，你正径直走向出口。但如果你有点慢，并且不想走得那么快，你就有机会在离开的路上与人交谈。” 因为在RHIC中穿过夸克-胶子等离子体的粒子需要更长的时间才能穿过它，所以它们可以从中提取更多的信息。“我们试图测量的东西是输运性质——你可以不与其他粒子相互作用而行进的平均距离，”他们补充道。“它告诉我们关于等离子体基本尺度的信息。”
回到起点
夸克-胶子等离子体实验的新时代应该将该领域从基础知识推向长期存在问题的具体答案。“RHIC曾经有一个物理学时期，基本上是，‘哇，这正在发生——这是新的物理学，’”昆纳瓦尔卡姆·埃拉亚瓦利说。“现在我们正处于精确时代。我们可以问，‘为什么会发生这种情况？’”
物理学家李娟阮正在RHIC的STAR探测器核心内部窥视。在STAR的核心，重离子在圆柱形螺线管电磁铁内部碰撞。碰撞中产生的能量可以产生数千个新粒子。图片来源：克里斯托弗·佩恩
RHIC和LHC正在引领理解这种特殊物质状态的努力，但其他地方即将进行的实验也将增加见解。在CERN，除了LHC之外，SPS加速器仍在运行。计划在那里进行的一项名为NA61/SHINE的实验将把移动的离子撞击到静止的目标上，以测量质子和中子变成夸克-胶子等离子体的临界点。第二个固定目标实验，德国GSI达姆施塔特的反质子和离子研究设备（FAIR），计划于2028年开放。在莫斯科附近杜布纳的联合核研究所，一个名为基于核子加速器的离子对撞机装置（NICA）的对撞机也将探测临界点。
“这是一个激动人心的时刻，”穆勒说。“我们知道夸克-胶子等离子体存在于早期宇宙中，但我们无法探测它。这是我们探测一种物理状况的方式，否则我们没有希望达到。”