宇宙最初的“熱湯”，真的會像流體一樣流動

宇宙的“熱湯”

在最初時刻，嬰兒時期的宇宙充滿了由夸克和膠子構成的溫度高達萬億度的“熱湯”。這些基本粒子以接近光速四處飛竄，形成了“夸克膠子等離子體”（QGP），但它只持續了幾微秒（1微秒 = 1×10??秒）。隨后，這團原初的黏稠物迅速冷卻，其中的夸克與膠子開始結合，形成了質子、中子以及其他基本粒子。

此外，這一滾燙無比的“熱湯”還被認為是一種近乎“完美”的液體。換言之，QGP中的夸克與膠子會以整體的形式一起流動，呈現出平滑、近乎無摩擦的流體行為。對QGP的這種認知，源自于許多相互獨立的實驗與理論模型的共同支撐。例如，一個被稱為混雜子模型的理論預測：QGP會像流體一樣，對任何在其中高速穿行的粒子作出響應。根據這一模型，當一束夸克噴流在QGP中疾馳而過時，會在身后形成尾流，并誘發QGP隨之產生漣漪與飛濺。

現在，在一項新發表于《物理快報B》的研究中，歐洲核子研究中心（CERN）的CMS合作組通過實驗明確地觀測到：當夸克在QGP中高速穿行時，的確會產生“尾流”——這一結果首次提供了直接證據證明，QGP對高速粒子的響應表現為一個單一的整體流體，而非像一個個獨立粒子那樣隨機散射。

夸克的“影子”

QGP可以在相對論性重離子碰撞中產生，例如在CERN的大型強子對撞機（LHC）等高能實驗中，物理學家可以讓鉛等重離子以接近光速相互猛烈對撞，進而短暫地將夸克和膠子從束縛中“撞離”出來，從而制造并研究那種在早期宇宙最初的幾微秒里存在過的相同物質。他們希望能夠在那短暫的一瞬間拍下“快照”，幫助他們識別QGP的特征。

為了識別夸克的尾流效應，物理學家一直在尋找成對的夸克與反夸克。反夸克和與其對應的夸克在許多方面都是相同的，只是某些性質在數值大小上相等、符號卻相反。例如，當一個夸克在等離子體中高速穿行時，很可能同時存在一個以完全相同的速度運動，但方向相反的反夸克。因此，物理學家會在重離子對撞產生的QGP中尋找夸克和反夸克對，并假設這些粒子會在QGP中留下相同且可探測的尾流。

然而，這樣做的問題在于，當一次產生了兩個夸克時，如果它們朝相反方向飛去，那么其中一個夸克會把另一個夸克的尾流遮蔽。這讓研究人員意識到：如果沒有第二個夸克來遮蔽其效應，那么尋找第一個夸克的尾流會更容易。

尾流“標簽”

在新的研究中，CMS合作組的物理學家決定采用一種新的方法，利用CMS實驗來探測夸克尾流效應的跡象。

他們并不是在鉛離子碰撞后的產物中尋找夸克與反夸克對，而是轉而尋找這樣一些事件：只有一個夸克穿過等離子體，并且它與一個Z玻色子幾乎呈背對背方向飛出。Z玻色子是一種電中性的、參與弱相互作用的基本粒子，幾乎不會影響周圍環境。由于Z玻色子出現在一個非常特定的能量上，因此Z玻色子相對容易被探測到。

這一探測思路源于這樣一個事實：QGP中有大量夸克與膠子在不斷掠過并彼此碰撞。有時，當其中的某次碰撞產生了一個具有高動量的Z玻色子和一個夸克時，這兩個粒子就會在相互作用后向完全相反的方向飛離——這時，夸克就有可能會留下尾流，而Z玻色子則應該不會對周圍的等離子體產生影響。因此，在QGP中出現的任何漣漪，都應該是完全由單個夸克在其中疾速穿行所造成的。

換言之，在這一實驗中，Z玻色子可作為一種“標簽”，用來定位并追蹤單個夸克的尾流效應。

明確的證據

研究團隊梳理了CERN的重離子碰撞實驗的數據。在130億次碰撞中，他們識別出大約2000個產生了Z玻色子的事件。對于每一個這樣的事件，他們繪制了QGP內部各處的能量分布，并且一再觀察到一種類似流體的呈旋渦狀的飛濺圖樣——也就是尾流效應——出現在Z玻色子飛行方向的反方向。研究團隊將這些現象直接歸因于單個夸克在等離子體中高速穿行的作用。

在進一步的研究中，他們還發現在數據中觀察到的尾流效應與混雜子模型的預測一致。換句話說，當有粒子在其中高速穿行時，QGP確實會像流體那樣流動并激起波紋。這是許多物理學家多年來一直相信必然存在卻尚未觀察到的現象。現在，新研究讓物理學家得以首次明確獲得這一現象的清晰證據。

未來，研究人員計劃將把這一新的技術應用到更多粒子碰撞數據上，以便進一步鎖定其他夸克尾流。測量這些尾流的大小、速度與延展范圍，以及它們衰退并消散需要多長時間，可以幫助物理學家進一步理解QGP的性質，并推測QGP在宇宙最初幾微秒里可能呈現的行為方式。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/study-infant-universes-primordial-soup-was-actually-soupy-0128

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269325008767

#圖片來源：

封面圖&首圖：Jose-Luis Olivares, MIT