从粒子汤到普通物质

( 相对论性重离子对撞机轨道 )

从19世纪末20世纪初开始，人类开始逐渐意识到宇宙中的大部分物质都是由不同的原子构成的，不同的原子核与不同数目的外层电子的结合形成性质各异的原子，有着极大的物理和化学性质差异，人类现代文明正是根植于此，而能够认识到这一点，也是人类文明高度发展的标志。

但是宇宙中以原子为物质的主要形式的状态却并非“自古”如此，原子并不是从宇宙开端就开始存在。人类虽然无法详细了解138亿年前的宇宙大爆炸时的真实场景，但是现在至少可以通过在粒子对撞机中模拟当时的环境以探索在宇宙开端时期物质形成的过程。根据现在人类的理解，宇宙大爆炸发生后，整个宇宙都处在数以万亿度的极高温高压的环境中。在这种状态下，根本无法形成稳定的原子核，宇宙更像是一锅亚原子“粒子汤”。这些粒子在极端条件下，相互剧烈作用，所表现出来的整体性质更像是液体状态，要等整个宇宙冷却之后，这些亚原子粒子才能相互结合在一起，形成稳定的原子核，之后才构成了我们现在所熟悉的普通物质。

那么，在高温高压状态下的亚原子“粒子汤”与人们所熟悉的以原子为基本单位构成的普通物质之间，有没有一个明显的界限？此前，核物理学家们都认为，这两者之间并没有一个明显的界限，因此很难明确区分开来，但是最近在美国能源部的布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory），一群核物理学家却得出了与此前不同的结论：在某些条件下，亚原子“粒子汤”与普通物质之间的界限，可能就像是水和冰一样明显。这个发现，有可能帮助人类认识到宇宙早期物质形成的过程，同时也可能使人类对于强相互作用的理解更加深刻。

布鲁克海文国家实验室从事“STAR”合作项目的核物理学家们，利用实验室中的相对论性重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider），在极高的速度下使金原子核发生对撞，使之产生夸克－胶子等离子体（Quark-Gluon Plasma），模拟宇宙大爆炸开端极高温高压的情形，在这个超级机器中每秒钟可以进行几千次的重离子对撞，对撞机的巨型探测器则会监测对撞过程的细节和产物。通过分析实验数据，实验人员发现，在极高能量的情况下，原子核的对撞会产生出亚原子粒子汤的奇异物质形态，在这种状态下，对撞产物的普通物质状态和亚原子粒子汤状态可以平滑地相互转换，两者之间并没有明显的界限。

随后STAR合作项目的物理学家们利用相对论性重离子对撞机又检查了重离子在各种不同能量状态下发生对撞的情形，他们发现，从亚原子粒子汤状态到冷却为普通物质状态的转变，会随着对撞能量的不同而改变。物理学家们希望通过这个实验来进一步理解强相互作用——这是自然界中最强的一种相互作用，正是这种相互作用把夸克粒子紧紧地结合成为构成原子核的重子（质子和中子等都属于重子），并且把质子和中子结合起来形成稳定的原子核，但是在极高的温度下，强相互作用就无法再束缚夸克，原子核会开始融化——这种情况可以以冰、水、水蒸气三种状态的相互转化来类比，在不同的温度和压力条件下，物质形态的转变状况也会相应发生变化。

( 相对论性重离子对撞机 )

2014年1月14日，STAR合作项目在网上发表了论文预印本《在金离子－金离子对撞中质子，反质子和π介子的定向流量与粒子束能量的关系》（Beam-Energy Dependence of Directed Flow of Protons，Antiprotons and Pions in Au+Au Collisions）（2014年4月4日修改完成），目前这篇论文已经被《物理评论快报》（PRL）杂志接受，这篇论文包含了总共来自58个研究机构的作者，讲述他们在实验中的发现。论文指出，在金离子对撞实验中，从亚原子粒子汤到普通物质状态的转变方式随着对撞能量的降低而改变。

论文还描述，当相对论性重离子对撞机以它的最高能量进行粒子对撞时，可能在瞬间产生出4万亿摄氏度的高温，在这种情况下，从粒子汤状态到普通物质状态的转变是平滑的，并没有一个清晰的界限。但是，当相对论性重离子对撞机以相对较低的能量进行粒子对撞时，从夸克－胶子－等离子体粒子汤到普通物质之间的转化就出现了一条明晰的界限，这种明显的状态变化过程不仅包括形态的变化，还有热量的吸收或释放，这种情况被称为一级相变。当粒子碰撞的能量在10G至20G电子伏之间时，因为对撞的能量不再足以融化原子核，亚原子粒子汤与普通物质之间这个明显的界限便开始出现了。

相对论性重离子对撞机可以在较大的能量（7.7G电子伏～200G电子伏）范围内使金离子发生对撞，科学家们正是希望通过一系列的实验来得出在不同能量条件下原子核被“融化”，夸克粒子相互作用的地图。这个他们描绘出来的地图中，在某些能量条件下的金离子对撞产物中，一些特定方向的粒子束消失了，原因就在于这些粒子束的能量被一些粒子吸收，用来完成物质状态的转变，使夸克粒子和胶子变得自由。为了获得更精确的数据，STAR合作项目的科学家们正计划对相对论性重离子对撞机和探测器进行升级，使发生对撞的离子束更加集中，进一步减小误差，另外扩展探测器的探测角度范围。

了解亚原子粒子从“粒子汤”的状态到普通物质的转变过程，不仅可以加深人类对于自然界中最强相互作用的理解，同时也可以使人们更深刻认识宇宙大爆炸的意义——如果宇宙大爆炸的初始条件有些许不同，是否宇宙就会完全是另外一个模样？物质的形态也可能不再是以原子为基本结构，更不会有人类的出现？这本身就是一个很有意思的问题。

（本文写作参考了布鲁克海文国家实验室的报道） 粒子亚原子科学原子核物理天文普通汤到物质原子对撞机