宇宙在創(chuàng)世之初的“一剎那”發(fā)生了大霹靂爆發(fā)，微小的“宇宙蛋”充斥著混沌的原始羹湯，濃稠的羹湯主要由夸克和膠子形成，宇宙之初的自由態(tài)夸克和膠子隨之被幽閉在質(zhì)子和中子內(nèi)部，好似陷入了“囚徒困境”，夸克和膠子被永久地束縛在質(zhì)子和中子的內(nèi)部?？茖W(xué)家使用了最先進(jìn)的理論分析和實(shí)驗(yàn)工具，想辦法釋放被“囚禁”的夸克和膠子。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)項(xiàng)目的ATLAS實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家實(shí)施了關(guān)鍵的步驟，用實(shí)驗(yàn)手段解釋宇宙極早期的等離子體特征。

位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）建成了世界上最大的實(shí)驗(yàn)室——LHC，鉛離子在加速器中被提升到接近光的速度，飛馳的鉛離子發(fā)生了碰撞，鉛離子在幾微秒的時(shí)間從普通物質(zhì)態(tài)轉(zhuǎn)化為奇異物質(zhì)態(tài)，物理學(xué)將這種物質(zhì)態(tài)稱(chēng)為“夸克—膠子等離子體”，通過(guò)分析穿透在等離子體的粒子流束，物理學(xué)家對(duì)等離子體的性質(zhì)有了更多的認(rèn)識(shí)?！段锢韺W(xué)評(píng)論通訊》發(fā)布了ATLAS實(shí)驗(yàn)室的國(guó)際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)的前沿研究成果。

時(shí)間和空間不是“與生俱來(lái)”的產(chǎn)物，物質(zhì)在時(shí)空中生存，物質(zhì)、時(shí)間和空間是自然的造化，宇宙在“盤(pán)古開(kāi)天地”的瞬間充斥了奇異的物質(zhì)態(tài)，夸克和膠子隨之被鎖定在質(zhì)子和中子的內(nèi)部，曾經(jīng)自由的夸克和膠子自由地彈跳和撞擊，在‘普朗克時(shí)間”內(nèi)攪拌成同質(zhì)的“羹湯”，這種奇異的物質(zhì)態(tài)有數(shù)十億度的超高溫。為了模仿自然物質(zhì)的神奇變化，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室的條件下制成了夸克—膠子態(tài)的“羹湯”， 國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)重鉛離子的碰撞再現(xiàn)了物質(zhì)起源的過(guò)程。

對(duì)夸克—膠子等離子體的研究極有挑戰(zhàn)性，它們僅出現(xiàn)在離子相互碰撞的瞬間，在一秒的負(fù)幾次、負(fù)幾十次方的時(shí)間，它們的出現(xiàn)完全在人的感官能力之外，存續(xù)的時(shí)間極其短暫，夸克—膠子等離子體在冷卻后迅速地轉(zhuǎn)化為“雪崩”式呈現(xiàn)的物質(zhì)粒子。現(xiàn)代物理技術(shù)不能研制出直接觀測(cè)夸克和膠子的儀器?？茖W(xué)家在“難路虎”面前不能采用通常的檢測(cè)手段，不能簡(jiǎn)單地處理夸克和膠子等離子體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不是將溫度計(jì)插進(jìn)等離子中，耐心讀取溫度計(jì)的數(shù)據(jù)。在等離子的檢測(cè)中應(yīng)用了獨(dú)特的方法。

位于克拉科夫的波蘭科學(xué)院原子核物理研究所的芭芭拉·沃什克研究員解釋說(shuō)，ATLAS 實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家十分幸運(yùn)，探測(cè)器成功地記錄了夸克—膠子等離子體的信號(hào)，它們?cè)谙嗷プ饔煤罅粝铝Ｗ铀プ兊漠a(chǎn)物，通過(guò)仔細(xì)分析殘留粒子的特性，科學(xué)家認(rèn)識(shí)了等離子體的屬性。沃什克負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)國(guó)際團(tuán)隊(duì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，他審核了ATLAS 實(shí)驗(yàn)室在2011年收集的數(shù)據(jù)，哥倫比亞大學(xué)組成了一支科學(xué)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)了數(shù)據(jù)的收集和整理。

在實(shí)驗(yàn)中獲取了大多數(shù)有關(guān)夸克—膠子羹湯的數(shù)據(jù)，重離子在相互碰撞后向不同的方向擴(kuò)散，飛散的粒子有特別的方向。鉛核在碰撞前的飛行方向發(fā)生了相互交叉，根據(jù)碰撞后產(chǎn)生的普通粒子的飛散方向，科學(xué)家容易分辨出普通的物質(zhì)粒子，它們產(chǎn)生于鉛離子碰撞的一瞬間，在鉛離子發(fā)生碰撞之后，普通粒子穿越了夸克—膠子“密云”，隨后塌縮成集中而狹窄的離子束或物理學(xué)概念的噴流。從撞擊初期產(chǎn)生的粒子穿越了炙熱而稠密的等離子體，失去了一部分能量，呈現(xiàn)出能量逐漸衰退的高能?chē)娏?，通過(guò)分析重新結(jié)構(gòu)的極高能?chē)娏鳎茖W(xué)家獲得了等離子體特征的信息。

鉛核在高速碰撞后重新結(jié)合為粒子噴流，國(guó)際科學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，他們將數(shù)據(jù)與質(zhì)子—質(zhì)子碰撞之后得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。從足夠精確的理論進(jìn)行分析，夸克—膠子等離子體不會(huì)出現(xiàn)在質(zhì)子—質(zhì)子的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中。重離子碰撞的理論模型則預(yù)測(cè)了稠密等離子體的出現(xiàn)，在離子——離子的對(duì)撞過(guò)程中產(chǎn)生了極高的能量。通過(guò)比較兩種類(lèi)型的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)成員評(píng)價(jià)了碰撞后的噴流會(huì)受到等離子體怎樣的干擾。

在鉛核碰撞的實(shí)驗(yàn)中記錄了一半數(shù)量的噴射流束，它們好像質(zhì)子——質(zhì)子碰撞后出現(xiàn)的情形，這似乎說(shuō)明噴流內(nèi)的粒子在和等離子體發(fā)生了相互作用，這些粒子失去了初期的碰撞能量，高能?chē)娏饔纱水a(chǎn)生了衰弱現(xiàn)象，團(tuán)隊(duì)成員以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，拋棄了一些夸克——膠子等離子體的理論模型，那些不符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論模型沒(méi)有預(yù)測(cè)到高速能量的衰減現(xiàn)象。ATLAS 的探測(cè)器在初期建造的過(guò)程中得到了波蘭研究所的幫助，其中包括了波蘭研究所的原子核物理分部，ATLAS的實(shí)驗(yàn)設(shè)備極其復(fù)雜，龐大的體積相當(dāng)于四層樓高的建筑物。

鉛離子碰撞實(shí)驗(yàn)僅是實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的一個(gè)組成部分，國(guó)際科學(xué)團(tuán)隊(duì)在LHC加速器實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展項(xiàng)目研究，主要實(shí)施了質(zhì)子——質(zhì)子對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有粒子物理學(xué)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的可靠性，此外，實(shí)驗(yàn)的目的還在于探索標(biāo)準(zhǔn)模型以外物理現(xiàn)象的可能，最特別的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體現(xiàn)在對(duì)希格斯粒子的檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的搜索， LHC實(shí)驗(yàn)室的ATLAS和CMS探測(cè)器初步記錄了神秘的希格斯粒子，國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)再次驗(yàn)證了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性。

（編譯：2015-3-13）