致密小步舞曲

宇宙是怎么誕生的，如何演化呢？好奇的人類(lèi)總是不斷地向大自然追問(wèn)這個(gè)問(wèn)題。從宇宙背景輻射以及許多天文觀測(cè)的證據(jù)，我們知道宇宙的開(kāi)端大概是在140億年前，從一個(gè)極為炙熱的小火球快速膨脹擴(kuò)張、降溫，演變成我們現(xiàn)在所知的宇宙。在這里，我們想問(wèn)的問(wèn)題是，在宇宙大爆炸1微秒后，這個(gè)極高溫的世界是什么樣子的呢？我們有沒(méi)有辦法利用實(shí)驗(yàn)的方法重現(xiàn)這個(gè)世界，來(lái)研究早期宇宙的性質(zhì)呢？

掌管物質(zhì)的四種作用力

我們知道，物質(zhì)之間有四種作用力：重力、電磁力、強(qiáng)力、弱力。重力把你我安安穩(wěn)穩(wěn)地“粘”在地球上，也是掌管地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的力量。電磁力是日常生活中最常見(jiàn)的作用力，我們之所以可以看到這個(gè)世界，可以觸摸到這個(gè)世界，都是因?yàn)殡姶帕Φ淖饔谩Ｈ踝饔昧芾碓S多基本粒子之間的轉(zhuǎn)換，如中子衰變?yōu)橘|(zhì)子的過(guò)程。而四種作用力中最強(qiáng)的強(qiáng)作用力，則掌管著原子核中質(zhì)子與中子之間的作用。核電廠(chǎng)進(jìn)行核裂變反應(yīng)產(chǎn)生大量的能量，太陽(yáng)進(jìn)行核聚變反應(yīng)照亮整個(gè)世界，都跟強(qiáng)作用力有關(guān)。

在電磁力中，電子帶有電荷，電子之間是以交換光子的方式來(lái)傳遞電磁作用力。而強(qiáng)作用力中，夸克帶有三種色荷（通常以紅、綠、藍(lán)三種色荷來(lái)表示，要注意的是，色荷與日常生活中的顏色無(wú)關(guān)），以交換膠子來(lái)傳遞強(qiáng)作用力。強(qiáng)作用力與電磁力非常類(lèi)似，不同之處僅在于膠子本身也帶有色荷，與電磁力中的光子不同（不帶電荷），且色荷有三種，電荷只有一種。從這個(gè)角度看，強(qiáng)作用力顯然要比電磁力擁有更豐富的變化，而且強(qiáng)作用力的強(qiáng)度約比電磁力強(qiáng)100倍！然而在我們所見(jiàn)到的世界中，物質(zhì)的交互作用卻是以電磁作用居多，強(qiáng)作用力只存在于核反應(yīng)中，到底為什么會(huì)有如此大的落差呢？

答案是：因?yàn)槲覀兯幍氖澜绺钪娲蟊ú痪煤蟊绕饋?lái)，是一個(gè)非常低溫的世界?？淇伺c膠子這些帶有色荷的基本粒子都凝結(jié)了起來(lái)，組成零色荷的強(qiáng)子，集中在一個(gè)極小的空間里面（半徑約1費(fèi)米的球體中）。就像是水在低溫的時(shí)候，水分子都凝結(jié)起來(lái)變成冰塊，沒(méi)有辦法自由移動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)緣故。日常生活中不常見(jiàn)到強(qiáng)作用力的蹤跡。這告訴我們，在實(shí)驗(yàn)中需要一個(gè)非常高溫的環(huán)境，才能讓質(zhì)子與中子“融解”成為夸克與膠子，打破強(qiáng)子之間的藩籬，讓夸克與膠子自由地進(jìn)行交互作用。而這樣子的世界，事實(shí)上曾經(jīng)存在！在宇宙剛爆炸的時(shí)候，溫度與能量密度非常高。量子色動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果顯示，在溫度達(dá)到核彈爆炸核心溫度的5000倍時(shí)，夸克與膠子不再被禁錮在強(qiáng)子中，而是以夸克-膠子電漿的方式存在，可以自由運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行交互作用。

模擬宇宙初始

如果你身處冰天雪地的阿拉斯加，身邊只有冰塊，沒(méi)有火種，也沒(méi)有其他可以升溫的器具，該如何加熱這個(gè)世界呢？一個(gè)很有創(chuàng)意的答案是：你可以讓兩塊冰塊加速相撞，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成位能，用這樣的方式來(lái)融化冰塊。我們所生活的宇宙也在很相似的狀態(tài)，因?yàn)樗幍氖澜鐪囟群艿?，夸克與膠子都凝結(jié)成為強(qiáng)子，要產(chǎn)生宇宙剛爆炸時(shí)的能量密度，科學(xué)家所使用的方法是讓重離子對(duì)撞——把重離子加速到接近光速的狀態(tài)，這時(shí)候重離子因?yàn)榱_倫茲收縮的緣故，變成像兩個(gè)“煎餅”一樣；這兩個(gè)“煎餅”劉撞之后，會(huì)將大量的動(dòng)量釋放在一個(gè)極小的空間里，產(chǎn)生一個(gè)超高能量密度的環(huán)境，進(jìn)而重現(xiàn)宇宙大爆炸的狀態(tài)。

夸克-膠子電漿產(chǎn)生之后，由于極高的能量密度與壓力，其體積快速擴(kuò)張，很快便冷卻碎成許多強(qiáng)子。這個(gè)過(guò)程的速度極快，只有10^-24秒～10^-23秒的時(shí)間。因此，要研究夸克-膠子電漿的性質(zhì)十分不容易。事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)中我們只能借這些由夸克-膠子電漿冷卻凝結(jié)成的強(qiáng)子，以及其他不同的粒子，來(lái)了解這種新物質(zhì)的特性。

位于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)，是第一個(gè)進(jìn)行高能重離子對(duì)撞的加速器。金原子核在加速器中最高被加速到1000億電子伏特，并且進(jìn)行對(duì)撞。在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，第一次證實(shí)了夸克一膠子電漿的存在。

2010年的冬天，量子物理學(xué)界有了重大突破，位于歐洲的LHC成功地完成鉛原子核對(duì)撞，并且將鉛原子核加速到1.38兆電子伏特，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)超高能量密度的新紀(jì)元。1.38兆電子伏特這個(gè)數(shù)字或許不太易懂，其實(shí)這代表著每一個(gè)在鉛原子核中的質(zhì)子與中子，都帶有相當(dāng)于蚊子飛行時(shí)所擁有的動(dòng)能。理論計(jì)算預(yù)測(cè)，在LHC中將產(chǎn)生體積更大、溫度更高的夸克-膠子電漿，將對(duì)宇宙的起源以及高密度環(huán)境中量子色動(dòng)力學(xué)的了解做出的貢獻(xiàn)。

科學(xué)之眼——粒子偵測(cè)器

為了測(cè)量由夸克-膠子電漿冷卻后產(chǎn)生的各種粒子，我們使用粒子偵測(cè)器來(lái)測(cè)量這些粒子的角度分布、動(dòng)量以及能量。以CMS偵測(cè)器為例，主要是由超導(dǎo)磁鐵、硅晶軌跡追跡系統(tǒng)、量能器以及渺子偵測(cè)器組成的。

CMS偵測(cè)器使用超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)（3.8特斯拉）。碰撞中產(chǎn)生的帶電粒子向外飛散時(shí)，會(huì)受到磁場(chǎng)的影響而轉(zhuǎn)向，高動(dòng)量的帶電粒子轉(zhuǎn)向程度較低，行進(jìn)的軌跡比較接近直線(xiàn)；而低動(dòng)量的帶電粒子則是以接近螺線(xiàn)的方式向前移動(dòng)。CMS偵測(cè)器中的硅晶軌跡追跡系統(tǒng)就像是個(gè)3D的數(shù)字相機(jī)一樣，記錄在對(duì)撞中產(chǎn)生的帶電粒子的軌跡，使CMS偵測(cè)器能夠測(cè)量帶電粒子的動(dòng)量分布以及數(shù)量。電磁量能器是由鎢酸鉛晶體組成的，可用來(lái)測(cè)量光子以及電子的能量。強(qiáng)子量能器可以用來(lái)測(cè)量中性以及帶電強(qiáng)子的能量，并且用于夸克與膠子噴流的重建。由于渺子經(jīng)過(guò)量能器時(shí)所損失的能量很低，可以穿過(guò)這些偵測(cè)器，因此在CMS的超導(dǎo)磁鐵外層還裝設(shè)了渺子偵測(cè)器，用來(lái)偵測(cè)渺子的信號(hào)。

在CMS偵測(cè)器中可以看到，電中性的光子不會(huì)在硅晶軌跡追跡系統(tǒng)中留下軌跡，但是會(huì)在電磁量能器中被破壞，并留下能量。帶電的電子（反電子）則會(huì)在硅晶軌跡追跡系統(tǒng)中留下軌跡，并且將能量釋放在電磁量能器中。帶電強(qiáng)子的軌跡同樣可被硅晶軌跡追跡系統(tǒng)記錄下來(lái)，與電子不同的是，帶電強(qiáng)子不僅會(huì)在電磁量能器中留下能量，通常也能穿過(guò)電磁量能器，到達(dá)強(qiáng)子量能器，然后將能量釋放在強(qiáng)子量能器中。帶電的渺子更加特殊，由于渺子不帶有色荷不參與強(qiáng)作用，質(zhì)量又比電子重約300倍，這些性質(zhì)使得渺子通過(guò)介質(zhì)時(shí)損失的能量較少，因此渺子能夠穿過(guò)所有的偵測(cè)器以及磁鐵，并且在超導(dǎo)磁鐵外的渺子偵測(cè)器中留下信號(hào)。這些探測(cè)到的高能渺子可用于Z玻色子的重建。利用CMS這個(gè)“科學(xué)之眼”，我們可以捕捉碰撞中產(chǎn)生的除微中子以外的所有粒子，并且分辨它們。而通過(guò)觀測(cè)這些由夸克-膠子電漿冷卻凝結(jié)而成的碎片，我們可以推測(cè)在碰撞中產(chǎn)生的新物質(zhì)的特性。

新物質(zhì)——夸克-膠子電漿

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家常將電子射向想研究的物質(zhì)，利用電子偏折的角度來(lái)研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。然而重離子對(duì)撞所產(chǎn)生的夸克-膠子電漿存在時(shí)間極為短暫，且體積微小，因此測(cè)量這種新物質(zhì)的性質(zhì)非常不容易，也是實(shí)驗(yàn)中最具挑戰(zhàn)性的地方?；旧希瑴y(cè)量夸克-膠子電漿的方法大致可以分為兩類(lèi)：第一種是測(cè)量夸克-膠子電漿散開(kāi)后所產(chǎn)生的粒子，從這些粒子的數(shù)量、角度分布以及能量大小，來(lái)推測(cè)夸克-膠子電漿的性質(zhì)。第二種方法是在碰撞中利用與夸克一膠子電漿同時(shí)產(chǎn)生的高能量夸克、膠子以及光子，讓這些粒子穿過(guò)夸克-膠子電漿，然后觀察電漿如何改變這些高能量的粒子。

在CMS偵測(cè)器記錄下來(lái)的一個(gè)鉛對(duì)撞事件中可以看出，成千上萬(wàn)的粒子在碰撞中產(chǎn)生，并且在硅晶軌跡追跡系統(tǒng)中留下信號(hào)。經(jīng)由計(jì)算機(jī)人工智能辨識(shí)，可以重建出碰撞中所產(chǎn)生的帶電粒子軌跡以及動(dòng)量大小。從強(qiáng)子的數(shù)量估計(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在LHC中鉛對(duì)撞所產(chǎn)生的夸克-膠子電漿，其能量密度比日常生活中常見(jiàn)的其他原子核的密度高5倍～10倍。換句話(huà)說(shuō)，在一個(gè)質(zhì)子大小的空間里，要擠下5倍-10倍質(zhì)子的能量。很顯然，這種物質(zhì)不太可能是由質(zhì)子與中子等強(qiáng)子組成，而是由更高密度的夸克與膠子組成的。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中利用量能器測(cè)量到的能量大小，也可以推出與帶電粒子相同的結(jié)論，即在對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中確實(shí)產(chǎn)生了極度致密的物質(zhì)。所測(cè)量到的總能量，是在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)——相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)的金原子核對(duì)撞——中總能量的兩三倍。

聰明的你也許會(huì)問(wèn)：“如何證實(shí)在碰撞中，一個(gè)達(dá)到熱平衡的夸克-膠子電漿真的產(chǎn)生了呢？也許這么多的粒子只是原子核中許多質(zhì)子與中子之間的對(duì)撞疊加在一起所造成的，彼此并不相干！”如果在鉛對(duì)撞中，所產(chǎn)生的粒子真的是由許多互不相干的核子對(duì)撞所造成的，偵測(cè)器所偵測(cè)到的粒子角度分布會(huì)是對(duì)稱(chēng)的。但如果在碰撞中所產(chǎn)生的物質(zhì)，是已達(dá)到熱平衡的夸克-膠子電漿，這時(shí)候由夸NhIP3PG1KBhINqnzZnw8/dWjq+yYCijwxnXKEkYGNBI=克-膠子電漿冷卻所產(chǎn)生的粒子由于壓力的作用，會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的角度分布。壓力較大的方向，能測(cè)量到的能量及粒子數(shù)量較多，而壓力較小的方向則會(huì)測(cè)量到比較少的粒子。

在CMS實(shí)驗(yàn)中，由硅晶軌跡追跡系統(tǒng)以及量能器測(cè)量到的粒子能量分布，真的可以見(jiàn)到角度的不對(duì)稱(chēng)性，這證實(shí)了產(chǎn)生的新物質(zhì)的確達(dá)到熱平衡，而且與相對(duì)論性流體力學(xué)的理論計(jì)算結(jié)果相符合。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種新物質(zhì)甚至比水還更接近理想液體。這個(gè)有趣的現(xiàn)象首度在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)中被發(fā)現(xiàn)，并且再度在LHC實(shí)驗(yàn)中被確認(rèn)。而且在LHC的實(shí)驗(yàn)中，甚至在每次碰撞中，都可以直接看到粒子能量分布的不對(duì)稱(chēng)性。

電漿性質(zhì)的精密測(cè)量

在LHC的實(shí)驗(yàn)中，由于對(duì)撞的能量較相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)提高了17.5倍，超高能量的夸克與膠子，以及不帶色荷的光子與z玻色子的產(chǎn)生機(jī)率大增，我們可以利用這些穿過(guò)夸克-膠子電漿的粒子，測(cè)量這些粒子如何與電漿反應(yīng)，從而進(jìn)行電漿性質(zhì)的精密測(cè)量。由于光子與Z玻色子不帶色荷，當(dāng)它們通過(guò)夸克-膠子電漿時(shí)，理論預(yù)測(cè)這兩種粒子不會(huì)受到強(qiáng)作用力的影響，會(huì)直接穿過(guò)這種新物質(zhì)而不被改變。而高能量的夸克與膠子穿過(guò)電漿時(shí)，由于帶有色荷，會(huì)受到強(qiáng)作用力的影響而損失能量，甚至因?yàn)榻橘|(zhì)的推力而改變行進(jìn)方向。

利用CMS偵測(cè)器的電磁量能器與渺子偵測(cè)器，實(shí)驗(yàn)已成功地捕捉到光子與Z玻色子的信號(hào)，并且發(fā)現(xiàn)這兩種不帶色荷的粒子不受夸克-膠子電漿的影響，首度證實(shí)了理論的預(yù)測(cè)。而在對(duì)夸克與膠子的噴流分析中，CMS偵測(cè)器直接測(cè)量到這些噴流損失了很多能量。這個(gè)直接證據(jù)告訴我們，在鉛對(duì)撞中真的有新物質(zhì)產(chǎn)生，而且當(dāng)高能夸克與膠子穿過(guò)電漿時(shí)，會(huì)受到非常強(qiáng)大的阻力。每前進(jìn)1費(fèi)米的距離，就會(huì)損失數(shù)十億電子伏特的能量。然而奇怪的是，雖然高能量夸克與膠子在通過(guò)介質(zhì)時(shí)損失了不少能量，但行進(jìn)方向卻出乎意料地沒(méi)有任何變化！研究夸克與膠子如何損失能量可與許多理論模型做比較，初步的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這些夸克與膠子所損失的能量遠(yuǎn)高于預(yù)期，而行進(jìn)方向卻沒(méi)有改變，與在真空中的狀態(tài)無(wú)異！這些新現(xiàn)象沒(méi)有辦法利用目前的模型解釋。許多更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析正在進(jìn)行中，如尋找夸克-膠子電漿中的聲波以及底夸克的測(cè)量等，將提供更多以量子色動(dòng)力學(xué)以及弦論所建構(gòu)的理論模型和許多珍貴的信息。

揭開(kāi)早期宇宙之謎

2010年，LHC成功地加速鉛原子核到1.38兆電子伏特，并且完成人類(lèi)史上最高能量的重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。2011年，LHC更實(shí)驗(yàn)了比2010年高20倍的鉛原子核對(duì)撞。CMS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果再度證實(shí)夸克-膠子電漿在鉛對(duì)撞中產(chǎn)生了，并且首度完成光子、z玻色子以及高能夸克（膠子）噴流的分析。這種超致密的物質(zhì)，也許與宇宙大爆炸1微秒后的狀況十分類(lèi)似，也可能存在于中子星的核心之中。

初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們，如果一艘火箭在早期宇宙的環(huán)境中被發(fā)射升空，我們只需要不到l納米厚的夸克一膠子電漿，就可以讓火箭在瞬間停下來(lái)，而與火箭一起前進(jìn)的高能量光子則不受影響，可以順利地穿透夸克-膠子電漿繼續(xù)向前傳播。如果有一個(gè)高能量的夸克在早期宇宙中“游泳”，這個(gè)夸克會(huì)受到夸克-膠子電漿的影響而很快減速，但“游泳”的前進(jìn)方向卻不會(huì)改變！

由于在LHC高能量的鉛原子核對(duì)撞中，許多高能光子、Z玻色子以及高能量的夸克、膠子、夸克-膠子電漿一起產(chǎn)生，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的研究方向。由于光子與Z玻色子不參與強(qiáng)作用力，因此測(cè)量這些不帶色荷的粒子可以得到夸克-膠子電漿剛產(chǎn)生時(shí)的初始狀態(tài)，就像是利用微中子可以探測(cè)太陽(yáng)的核心一樣。利用超高能量的夸克與膠子穿過(guò)電漿，我們可以進(jìn)行類(lèi)似拉瑟福德實(shí)驗(yàn)的研究，只是這次不是利用電子去探測(cè)原子核，而是用這些高能夸克與膠子來(lái)探測(cè)夸克-膠子電漿的結(jié)構(gòu)。

在LHC有了這些有趣的研究工具后，將有助于了解高密度環(huán)境下的量子色動(dòng)力學(xué)，并且解答早期宇宙之謎。近年來(lái)弦論模型的計(jì)算與發(fā)展更提供了嶄新的方向，幫助我們把在夸克-膠子電漿研究中學(xué)習(xí)到的知識(shí)，運(yùn)用于各種其他的強(qiáng)交互作用系統(tǒng)。許多精彩的實(shí)驗(yàn)分析與理論計(jì)算，正如火如荼地進(jìn)行！