
宇宙大爆炸后最初几微秒的极端物质状态──夸克-胶子电浆(Quark-GluonPlasma,QGP),首次被大型强子对撞机4大实验观测到新证 据。
物质有固态、液态、气态、电浆态(比如闪电、太阳表面电浆)几种常见的“相”,差别在于组成物质的粒子(原子、分子)之间彼 此靠得多近、多自由。

而“夸克-胶子电浆”要从原子再往下拆一层。构成原子核的质子、中子其实不是最基本粒子,它们由更小的夸克粒子组成,夸克之间又靠胶子“黏”在一起。
在正常宇宙温度与密度下,夸克永远被胶子死死绑在质子、中子“牢笼”里,无法独立存在,但当温度高到极端夸张的程度(约太阳 核心温度10万倍以上)或物质被压缩到密度极高,胶子就会失效,导致夸克、胶子像液体或电浆一样自由流动、互相碰撞,这锅由自由夸克和胶子组成的原始物质就是夸克-胶子电浆,俗称夸克汤(quarksoup)。
科学家相信,宇宙大爆炸后最初几微秒温度高到令人无法想象,此时整个宇宙就是一锅夸克汤,直到宇宙开始膨胀冷却,夸克才“凝 结”被锁进质子和中子里,形成我们今天熟悉的物质。
虽然我们不可能再次经历大爆炸,但通过大型强子对撞机高能量核子碰撞实验,物理学家正试著短暂重现夸克汤物质状态。

夸克-胶子电浆形成概念图。
以往物理学家认为QGP只能在极重离子(比如铅,比常规使用的质子重200多倍)碰撞过程形成,但根据最新研究报告,大型强子对撞 机四大实验(ALICE、ATLAS、CMS、LHCb)均在“氧-氧”、“氖-氖”轻离子碰撞过程中,出现多项与QGP形成一致的物理讯号。
快速移动的高能量夸克、胶子在穿过高温致密物质时会失去能量,这种效应称为部分子能量损失(partonenergyloss),ATLAS实验观察到氧-氧、氖-氖碰撞产生的粒子喷流具不对称性,且对撞越剧烈,能量流失越明显。
ALICE、CMS、LHCb实验则通过测量碰撞产生的高能粒子是否比预期少,以另一种方式寻找部分子能量损失。与质子-质子碰撞相比,CMS、LHCb实验皆观察到氧-氧、氖-氖碰撞的高能带电粒子产率受到抑制,支持QGP在轻离子碰撞过程存在。
ALICE实验则观测到“各向异性流”(anisotropicflow)模式──由3个夸克组成的重子比由2个夸克组成的介子展现出更强定向发射, 这是因QGP集体运动被转移到动量粒子,而重子因多一个夸克而继承更多集体运动。
这些发现重要意义在于证明QGP形成并非严格取决于碰撞系统总质量(即离子是否够重),而是取决于碰撞区域初始能量密度。