欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）迎来了重大物理学突破。继一年前LHC首次成功实现氧离子碰撞之后，该对撞机的四大主要研究合作组——ALICE、ATLAS、CMS和LHCb近日联合报告了重要迹象：在氧核与氖核的相互碰撞中，能够涌现出这种被视为宇宙“ primordial（原始）”状态的奇异物质。
这一研究结果直接挑战了物理学界长期以来的一项核心假设：即需要巨大的能量和诸如铅核这样极重的原子核碰撞，才能创造出如此极端的物质形态。同时，该发现为科学家研究宇宙诞生极初期的极端物理条件提供了一种全新的实验手段。
在小型碰撞中重现宇宙初期的极端物质
夸克-胶子等离子体（QGP）是一种在极高压和极高热环境下出现的奇异物质状态。在温度超过太阳核心温度10万倍的极端条件下，质子和中子等常规粒子无法保持其正常结构，而是会解离成自由的夸克以及平时将它们束缚在一起的胶子。
理论物理学家普遍认为，在大爆炸发生后的最初百万分之一秒内，整个宇宙都处于这种物质状态。而在近14亿年后的今天，研究人员能够通过将原子核以极高能量在LHC内部进行剧烈撞击，在实验室中短暂地重现这些非凡的物理条件。
几十年来，科学界一直坚信，生成这种夸克-胶子等离子体必须依赖非常重的原子核碰撞，尤其是铅核。铅核的质量比LHC实验中通常使用的质子重200多倍，因此被认为具备产生QGP所需的高强度剧烈条件。
然而，近年来的一系列突破性发现正逐渐打破这一传统认知。
今年早些时候，专注于研究夸克-胶子等离子体的ALICE合作组，在质子-质子及质子-铅碰撞中识别出了QGP形成的迹象。而在前一年，LHC研究人员也曾报告了在氧-氧碰撞中涌现出这种等离子体的最初端倪。
如今，更深入、更详细的实验分析揭示了更多的明确证据：在氧核与氖核的相互碰撞中同样能够形成QGP。这强有力地证明了，创造这种原始物质所需的极端条件并不局限于重原子核碰撞。
科学家在极端碰撞中检测到能量损失证据
识别夸克-胶子等离子体最直观的方法之一，是观察高能夸克和胶子在穿过该介质时所发生的变化。
当这些高能粒子穿过极热且致密的物质时，它们会损失一部分能量。科学家将这一物理过程称为“部分子能量损失（parton energy loss）”，它是QGP已经形成的关键线索。
ATLAS合作组通过对氧-氧和氖-氖碰撞中产生的高能粒子喷注（particle jets）对进行深入研究，清晰地检测到了这一物理效应。粒子喷注是由碰撞中涌现出的高能夸克和胶子转化而来的高浓度粒子流。
研究人员观察到成对粒子喷注之间的能量存在明显差异，这表明部分粒子在穿过周围介质的过程中损失了能量。
在更直接的对心碰撞（head-on collisions）中，这种能量损失效应尤为显著。这类正面撞击预计会产生更大体积的等离子体，从而使粒子经历更长的穿行距离并导致更剧烈的能量损失。
ATLAS的初步研究结果为这一科学解释提供了进一步支撑。通过检查与光子方向相反的反冲带电粒子，研究人员发现能量损失与原子核对撞中心度之间存在着高度一致的关联性。
CERN多项实验共同证实物理规律
与此同时，ALICE、CMS和LHCb合作组通过采用截然不同的实验方法，寻找了相同的底层物理过程。他们没有将重点放在粒子喷注的能量上，而是考察了等离子体如何抑制某些高能粒子的产生。
CMS合作组发现，在氧-氧和氖-氖碰撞中，带电粒子的产生率相比质子-质子碰撞明显受到抑制。这种粒子产额的减少与粒子在夸克-胶子等离子体内部损失能量的理论模型高度吻合，为较轻原子核碰撞亦能形成这种奇异物质提供了又一铁证。
LHCb合作组在一项独立研究中报告了另一个重要线索。该团队研究了包含粲夸克（charm quark）及其较轻反夸克的粒子，对比了它们在氧核和氖核碰撞中产额受抑制的程度。
结果显示，在较重的氖核碰撞中，这种抑制效应更为明显。这完全符合科学家的预期：更大的碰撞体积会产生更大体量的等离子体，进而导致粒子在穿过时损失更多的能量。
不过，粒子产额的减少并不绝对意味着能量损失是唯一的罪魁祸首，其他物理机制也可能产生相似的表象。
为了排除这种可能性，ALICE合作组对比了中性π介子（另一种亚原子粒子）在氧-氧碰撞和质子-氧碰撞中的产额。
这项对比研究提供了氧-氧碰撞中部分子能量损失的确凿证据，进一步巩固了即使是相对较小的核碰撞也能产生与QGP相关联的极端条件的论断。
异国情调亚原子粒子揭示更多线索
研究人员还寻找了QGP的另一个独特标志——由重夸克及其反夸克组成的粒子对。
这些粒子对在高能碰撞后会短暂地结合在一起。由于结合紧密程度不同，它们对周围等离子体造成的破坏敏感度也各不相同。
通过检验哪些束缚态粒子遭到抑制以及抑制的幅度，物理学家可以收集到关于QGP是否存在的新证据。
CMS合作组在被称为“底夸克偶素（upsilon mesons）”的粒子（由一个底夸克与其反夸克组成）中发现了这种差异化抑制的证据。研究人员通过对比氧-氧和氖-氖碰撞确认了这一效应。
LHCb也报告了类似行为的初步证据，此次他们使用的是质子-氧碰撞和氧-氧碰撞的数据。
这些观测结果相互印证，为“原始等离子体可以诞生于远小于传统研究规模的核碰撞”这一观点增添了坚实的证据砖瓦。
此外，ALICE合作组还识别出了另一个可能的QGP特征——粒子在碰撞后飞出的运动方向呈现出各向异性流（anisotropic flow）。由于重子包含三个夸克而介子仅含两个，重子能够继承更多集体运动特征，从而在实验中表现出独特的方向偏好，这为在氧碰撞中重现宇宙初期极端物质提供了又一个强有力的潜在指针。
开启探索宇宙最初瞬间的新窗口
目前，科学界正持续对较轻原子核碰撞的数据进行深入解析，以寻找关于夸克-胶子等离子体形成机制和行为特征的更多证据。
这些发现正在彻底重塑物理学界对创造极端物质所需条件的认知。曾经被认为必须依靠庞大重原子核碰撞才能实现的物理过程，如今可以通过小得多的系统进行研究，这为科研人员在极高条件下探索物质行为开辟了激动人心的新机遇。
与此同时，CERN正在将大型强子对撞机升级为能量更高、性能更强的高亮度LHC（High-Luminosity LHC）。这一升级后的超级加速器将使科学家能够收集到海量的碰撞数据，从而更加精细地剖析夸克-胶子等离子体的物理性质。
随着每一项新发现的诞生，研究人员正在拼凑出一幅愈发清晰的图景，走近并还原大爆炸后转瞬即逝的宇宙最初时刻所主宰的奇妙物质状态。
Authors: ALICE, ATLAS, CMS, and LHCb Collaborations, CERN.