致密小步舞曲

宇宙是怎么誕生的，如何演化呢？好奇的人類總是不斷地向大自然追問這個問題。從宇宙背景輻射以及許多天文觀測的證據(jù)，我們知道宇宙的開端大概是在140億年前，從一個極為炙熱的小火球快速膨脹擴張、降溫，演變成我們現(xiàn)在所知的宇宙。在這里，我們想問的問題是，在宇宙大爆炸1微秒后，這個極高溫的世界是什么樣子的呢？我們有沒有辦法利用實驗的方法重現(xiàn)這個世界，來研究早期宇宙的性質呢？

掌管物質的四種作用力

我們知道，物質之間有四種作用力：重力、電磁力、強力、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公轉的力量。電磁力是日常生活中最常見的作用力，我們之所以可以看到這個世界，可以觸摸到這個世界，都是因為電磁力的作用。弱作用力管理許多基本粒子之間的轉換，如中子衰變?yōu)橘|子的過程。而四種作用力中最強的強作用力，則掌管著原子核中質子與中子之間的作用。核電廠進行核裂變反應產生大量的能量，太陽進行核聚變反應照亮整個世界，都跟強作用力有關。

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傳遞電磁作用力。而強作用力中，夸克帶有三種色荷（通常以紅、綠、藍三種色荷來表示，要注意的是，色荷與日常生活中的顏色無關），以交換膠子來傳遞強作用力。強作用力與電磁力非常類似，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。從這個角度看，強作用力顯然要比電磁力擁有更豐富的變化，而且強作用力的強度約比電磁力強100倍！然而在我們所見到的世界中，物質的交互作用卻是以電磁作用居多，強作用力只存在于核反應中，到底為什么會有如此大的落差呢？

答案是：因為我們所處的世界跟宇宙大爆炸不久后比起來，是一個非常低溫的世界。夸克與膠子這些帶有色荷的基本粒子都凝結了起來，組成零色荷的強子，集中在一個極小的空間里面（半徑約1費米的球體中）。就像是水在低溫的時候，水分子都凝結起來變成冰塊，沒有辦法自由移動。因為這個緣故。日常生活中不常見到強作用力的蹤跡。這告訴我們，在實驗中需要一個非常高溫的環(huán)境，才能讓質子與中子“融解”成為夸克與膠子，打破強子之間的藩籬，讓夸克與膠子自由地進行交互作用。而這樣子的世界，事實上曾經存在！在宇宙剛爆炸的時候，溫度與能量密度非常高。量子色動力學的計算結果顯示，在溫度達到核彈爆炸核心溫度的5000倍時，夸克與膠子不再被禁錮在強子中，而是以夸克-膠子電漿的方式存在，可以自由運動并進行交互作用。

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，沒有火種，也沒有其他可以升溫的器具，該如何加熱這個世界呢？一個很有創(chuàng)意的答案是：你可以讓兩塊冰塊加速相撞，將動能轉換成位能，用這樣的方式來融化冰塊。我們所生活的宇宙也在很相似的狀態(tài)，因為所處的世界溫度很低，夸克與膠子都凝結成為強子，要產生宇宙剛爆炸時的能量密度，科學家所使用的方法是讓重離子對撞——把重離子加速到接近光速的狀態(tài)，這時候重離子因為羅倫茲收縮的緣故，變成像兩個“煎餅”一樣；這兩個“煎餅”劉撞之后，會將大量的動量釋放在一個極小的空間里，產生一個超高能量密度的環(huán)境，進而重現(xiàn)宇宙大爆炸的狀態(tài)。

夸克-膠子電漿產生之后，由于極高的能量密度與壓力，其體積快速擴張，很快便冷卻碎成許多強子。這個過程的速度極快，只有10^-24秒～10^-23秒的時間。因此，要研究夸克-膠子電漿的性質十分不容易。事實上，在實驗中我們只能借這些由夸克-膠子電漿冷卻凝結成的強子，以及其他不同的粒子，來了解這種新物質的特性。

位于美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，是第一個進行高能重離子對撞的加速器。金原子核在加速器中最高被加速到1000億電子伏特，并且進行對撞。在布魯克海文國家實驗室的實驗結果中，第一次證實了夸克一膠子電漿的存在。

2010年的冬天，量子物理學界有了重大突破，位于歐洲的LHC成功地完成鉛原子核對撞，并且將鉛原子核加速到1.38兆電子伏特，開創(chuàng)了一個超高能量密度的新紀元。1.38兆電子伏特這個數(shù)字或許不太易懂，其實這代表著每一個在鉛原子核中的質子與中子，都帶有相當于蚊子飛行時所擁有的動能。理論計算預測，在LHC中將產生體積更大、溫度更高的夸克-膠子電漿，將對宇宙的起源以及高密度環(huán)境中量子色動力學的了解做出的貢獻。

科學之眼——粒子偵測器

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

CMS偵測器使用超導磁鐵產生強大的磁場（3.8特斯拉）。碰撞中產生的帶電粒子向外飛散時，會受到磁場的影響而轉向，高動量的帶電粒子轉向程度較低，行進的軌跡比較接近直線；而低動量的帶電粒子則是以接近螺線的方式向前移動。CMS偵測器中的硅晶軌跡追跡系統(tǒng)就像是個3D的數(shù)字相機一樣，記錄在對撞中產生的帶電粒子的軌跡，使CMS偵測器能夠測量帶電粒子的動量分布以及數(shù)量。電磁量能器是由鎢酸鉛晶體組成的，可用來測量光子以及電子的能量。強子量能器可以用來測量中性以及帶電強子的能量，并且用于夸克與膠子噴流的重建。由于渺子經過量能器時所損失的能量很低，可以穿過這些偵測器，因此在CMS的超導磁鐵外層還裝設了渺子偵測器，用來偵測渺子的信號。

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

新物質——夸克-膠子電漿

實驗物理學家常將電子射向想研究的物質，利用電子偏折的角度來研究物質的結構。然而重離子對撞所產生的夸克-膠子電漿存在時間極為短暫，且體積微小，因此測量這種新物質的性質非常不容易，也是實驗中最具挑戰(zhàn)性的地方。基本上，測量夸克-膠子電漿的方法大致可以分為兩類：第一種是測量夸克-膠子電漿散開后所產生的粒子，從這些粒子的數(shù)量、角度分布以及能量大小，來推測夸克-膠子電漿的性質。第二種方法是在碰撞中利用與夸克一膠子電漿同時產生的高能量夸克、膠子以及光子，讓這些粒子穿過夸克-膠子電漿，然后觀察電漿如何改變這些高能量的粒子。

在CMS偵測器記錄下來的一個鉛對撞事件中可以看出，成千上萬的粒子在碰撞中產生，并且在硅晶軌跡追跡系統(tǒng)中留下信號。經由計算機人工智能辨識，可以重建出碰撞中所產生的帶電粒子軌跡以及動量大小。從強子的數(shù)量估計，科學家發(fā)現(xiàn)在LHC中鉛對撞所產生的夸克-膠子電漿，其能量密度比日常生活中常見的其他原子核的密度高5倍～10倍。換句話說，在一個質子大小的空間里，要擠下5倍-10倍質子的能量。很顯然，這種物質不太可能是由質子與中子等強子組成，而是由更高密度的夸克與膠子組成的。同時，在實驗中利用量能器測量到的能量大小，也可以推出與帶電粒子相同的結論，即在對撞實驗中確實產生了極度致密的物質。所測量到的總能量，是在前一個實驗——相對論重離子對撞機的金原子核對撞——中總能量的兩三倍。

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

在CMS實驗中，由硅晶軌跡追跡系統(tǒng)以及量能器測量到的粒子能量分布，真的可以見到角度的不對稱性，這證實了產生的新物質的確達到熱平衡，而且與相對論性流體力學的理論計算結果相符合。實驗數(shù)據(jù)顯示，這種新物質甚至比水還更接近理想液體。這個有趣的現(xiàn)象首度在相對論重離子對撞機中被發(fā)現(xiàn)，并且再度在LHC實驗中被確認。而且在LHC的實驗中，甚至在每次碰撞中，都可以直接看到粒子能量分布的不對稱性。

電漿性質的精密測量

在LHC的實驗中，由于對撞的能量較相對論重離子對撞機提高了17.5倍，超高能量的夸克與膠子，以及不帶色荷的光子與z玻色子的產生機率大增，我們可以利用這些穿過夸克-膠子電漿的粒子，測量這些粒子如何與電漿反應，從而進行電漿性質的精密測量。由于光子與Z玻色子不帶色荷，當它們通過夸克-膠子電漿時，理論預測這兩種粒子不會受到強作用力的影響，會直接穿過這種新物質而不被改變。而高能量的夸克與膠子穿過電漿時，由于帶有色荷，會受到強作用力的影響而損失能量，甚至因為介質的推力而改變行進方向。

利用CMS偵測器的電磁量能器與渺子偵測器，實驗已成功地捕捉到光子與Z玻色子的信號，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，首度證實了理論的預測。而在對夸克與膠子的噴流分析中，CMS偵測器直接測量到這些噴流損失了很多能量。這個直接證據(jù)告訴我們，在鉛對撞中真的有新物質產生，而且當高能夸克與膠子穿過電漿時，會受到非常強大的阻力。每前進1費米的距離，就會損失數(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介質時損失了不少能量，但行進方向卻出乎意料地沒有任何變化！研究夸克與膠子如何損失能量可與許多理論模型做比較，初步的結果發(fā)現(xiàn)：這些夸克與膠子所損失的能量遠高于預期，而行進方向卻沒有改變，與在真空中的狀態(tài)無異！這些新現(xiàn)象沒有辦法利用目前的模型解釋。許多更進一步的實驗分析正在進行中，如尋找夸克-膠子電漿中的聲波以及底夸克的測量等，將提供更多以量子色動力學以及弦論所建構的理論模型和許多珍貴的信息。

揭開早期宇宙之謎

2010年，LHC成功地加速鉛原子核到1.38兆電子伏特，并且完成人類史上最高能量的重離子對撞實驗。2011年，LHC更實驗了比2010年高20倍的鉛原子核對撞。CMS的實驗結果再度證實夸克-膠子電漿在鉛對撞中產生了，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，也許與宇宙大爆炸1微秒后的狀況十分類似，也可能存在于中子星的核心之中。

初步的實驗結果告訴我們，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，而與火箭一起前進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。如果有一個高能量的夸克在早期宇宙中“游泳”，這個夸克會受到夸克-膠子電漿的影響而很快減速，但“游泳”的前進方向卻不會改變！

由于在LHC高能量的鉛原子核對撞中，許多高能光子、Z玻色子以及高能量的夸克、膠子、夸克-膠子電漿一起產生，開創(chuàng)了一個全新的研究方向。由于光子與Z玻色子不參與強作用力，因此測量這些不帶色荷的粒子可以得到夸克-膠子電漿剛產生時的初始狀態(tài)，就像是利用微中子可以探測太陽的核心一樣。利用超高能量的夸克與膠子穿過電漿，我們可以進行類似拉瑟福德實驗的研究，只是這次不是利用電子去探測原子核，而是用這些高能夸克與膠子來探測夸克-膠子電漿的結構。

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)境下的量子色動力學，并且解答早期宇宙之謎。近年來弦論模型的計算與發(fā)展更提供了嶄新的方向，幫助我們把在夸克-膠子電漿研究中學習到的知識，運用于各種其他的強交互作用系統(tǒng)。許多精彩的實驗分析與理論計算，正如火如荼地進行！