突破：經過不斷努力，科學家終于發(fā)現宇宙最初狀態(tài)的線索

宇宙大爆炸之后 ，宇宙瞬間變成了一鍋溫度高達萬億度的“湯”，其中充滿了難以想象的稠密等離子體。

通過重離子碰撞，研究人員證實：這種原始物質的行為更像是一種近乎完美的液體，而不是一種高溫氣體。

因此它可以晃動和旋轉，為我們提供了觀察宇宙大爆炸后最初瞬間的罕見視角。

宇宙誕生后的最初1微秒，是人類天文觀測永遠無法觸及的“黑暗紀元”。

那時的宇宙沒有穩(wěn)定的原子、質子與中子，只有一鍋溫度超萬億攝氏度、致密到極致的粒子濃湯——夸克-膠子等離子體（QGP）。

這種極端物質形態(tài)的物理性質，直接決定了宇宙早期的演化路徑，卻始終因其轉瞬即逝的特性，難以被精準探測。

歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）上的緊湊型μ子螺線管（CMS）國際合作組取得突破性進展：他們首次通過全新的標記方法，清晰捕捉到高能夸克穿過QGP時留下的極微弱尾跡，為解鎖早期宇宙的秘密提供了前所未有的干凈探針。

相關研究成果已于2025年12月正式發(fā)表在《物理快報B》上。

在我們熟悉的日常世界里，構成原子核的質子與中子，內部的夸克都被強相互作用的“膠子紐帶”牢牢束縛，永遠無法單獨存在，這就是粒子物理中的“夸克禁閉”現象。

但當環(huán)境的溫度和密度提升到極端水平——相當于把數百個原子核壓縮到單個原子核的體積內，溫度達到1-2萬億開爾文時，強相互作用的束縛效應會被徹底打破。

夸克與膠子會掙脫核子的牢籠，形成一種完全不同于常規(guī)物質的全新物態(tài)，也就是QGP（夸克-膠子等離子體）。

長期以來，粒子物理學家都將高能夸克（更精準為噴注中的硬夸克）穿過QGP的過程，視為探測QGP性質的核心探針。

道理很簡單：當一個高能夸克以接近光速穿過致密的QGP介質時，會與介質發(fā)生持續(xù)的強相互作用，將自身的能量和動量傳遞給周圍的夸克膠子，就像高速飛行的物體穿過粘稠液體時，會在身后留下一個短暫的能量稀疏區(qū)。

這個區(qū)域的形態(tài)、存續(xù)時間，直接反映了介質的粘滯性、流動性等核心宏觀性質。

但在實際實驗中，想要捕捉到這個“能量稀疏區(qū)”信號，難度堪比在颶風里捕捉一聲蚊子叫。

一方面，QGP液滴的直徑僅有10^-14米，比氫原子還要小1萬倍，從產生到湮滅的整個過程不超過10^-23秒，根本沒有直接觀測的可能；另一方面，夸克與QGP的強相互作用會產生大量雜亂的次級粒子，完全淹沒了夸克身后的微弱尾跡信號，此前的實驗始終無法將夸克本身的信號與介質的響應清晰區(qū)分開。

這次CMS合作組的突破，核心在于找到了一個完全不受QGP干擾的“絕對參照系”——Z玻色子。

作為電弱相互作用的傳播子，Z玻色子參與弱相互作用和電磁相互作用，不參與強相互作用，而QGP介質的核心相互作用為強相互作用。

這就意味著，Z玻色子在QGP中幾乎不會與介質發(fā)生任何相互作用，會毫發(fā)無損地離開碰撞區(qū)域，被外層探測器精準捕捉。

更關鍵的是，在重離子碰撞的極端環(huán)境中，Z玻色子往往會與一個高能夸克（或膠子）成對產生，二者遵循動量守恒定律，沿近乎相反的方向飛散。

這就相當于，每一個被探測到的Z玻色子，都自帶了一份“伴生夸克說明書”：通過測量Z玻色子的能量、飛行方向，物理學家就能精準反推出伴生夸克的初始能量與飛行路徑，給這個在QGP里穿行的夸克，裝了一個不受任何干擾的GPS定位器。

借助這種全新的標記方法，CMS合作組對海量的鉛核-鉛核碰撞數據進行了系統(tǒng)性分析。

他們以Z玻色子的飛行方向為基準，精準鎖定伴生夸克的飛行路徑，隨后對夸克路徑后方的次級強子產額進行了高精度測量。

最終，研究團隊捕捉到了一個極其微弱的信號：在夸克飛行路徑的后方，強子產額出現了幅度不到1%的顯著抑制。

這個看似微不足道的變化，正是物理學家尋找了數十年的關鍵證據——它直接對應著高能夸克穿過QGP時，在身后留下的能量耗盡區(qū)，也就是QGP介質被夸克擾動后形成的尾跡能量稀疏區(qū)。

這也是人類首次在實驗中，通過無干擾的Z標記方法，清晰觀測到這一極端微弱的介質響應信號。

這項發(fā)現的科學價值，遠不止于首次觀測到夸克的尾跡。

此前的實驗已證實QGP不是早期理論預測的自由粒子氣體，而是一種具有極低粘滯性的近理想流體（粘滯性接近量子力學極限）。

但受限于探針精度，始終無法對其粘滯性/熵密度比、狀態(tài)方程等核心參數進行精準約束。

這次觀測到的尾跡，其形態(tài)、抑制幅度直接與QGP的宏觀流體性質綁定，為QGP的近理想流體特性提供了全新的、高精度的實驗證據，也為未來測量QGP的核心參數開辟了一條干凈的全新途徑。

更重要的是，這項成果為我們打開了觀測早期宇宙的全新窗口。

我們目前所有的天文觀測，最遠只能回溯到宇宙大爆炸后38萬年的宇宙微波背景輻射——在此之前，宇宙中的光子會與自由電子、質子持續(xù)發(fā)生湯姆遜散射，無法自由傳播，整個宇宙處于完全不透明的狀態(tài)，更不用說大爆炸后僅數微秒的QGP紀元。

而實驗室里的重離子碰撞，相當于在地球上人工復刻了早期宇宙的極端高溫高密環(huán)境，讓我們能通過精準測量QGP的性質，還原宇宙誕生最初瞬間的演化過程：QGP如何在宇宙膨脹冷卻中逐步強子化，形成質子、中子等強子，最終為原子、星系的形成奠定基礎。

研究團隊核心成員、范德堡大學物理學助理教授陳毅表示，這次的觀測僅僅是一個開始。

隨著LHC高亮度運行階段的推進，未來合作組將積累遠超當前量級的碰撞數據，屆時將能更精準地測量尾跡的形態(tài)變化，進一步約束QGP的核心物理性質，一步步走近宇宙誕生的最初時刻，看清萬物起源的真相。