CERN证实夸克-胶子等离子体在铅离子对撞中呈相干液体行为

欧洲核子研究中心（CERN）的科研人员确认了一项关于宇宙早期物质状态的关键物理学发现：夸克-胶子等离子体（QGP）在极端条件下表现出高度的相干液体特性。这种“原始汤”物质存在于宇宙大爆炸后的最初微秒之内，其行为模式的确定，为理解物质的起源和演化提供了直接的实验佐证。该项研究的数据来源于位于瑞士日内瓦附近、周长达27公里的大型强子对撞机（LHC）内部的粒子碰撞实验。

实验的核心在于模拟宇宙诞生之初的极端环境。研究人员利用LHC将重型铅离子以接近光速的速度对撞，在极短的时间内重新创造出QGP的微小液滴。当一个高速运动的夸克穿过这种超高温的QGP时，它会像船只穿过水面一样，在介质中留下可测量的“尾迹”或“涟漪”。这一现象有力地证实了QGP作为一种集体流体的本质，而非随机粒子散射的“混沌气体”，表现出类似液体的“泼溅”和“漩涡”效应。

领导这项研究团队的是来自美国麻省理工学院（MIT）的物理学教授Yen-Jie Lee。Lee教授指出，实验观察表明，这种原始等离子体具有足够的密度，能够有效减缓夸克的运动速度并产生类似液体的扰动模式，从而确证了QGP是宇宙中存在过的第一种、也是最热的一种液体，理论预测其具有极低内摩擦的“近完美液体”特性。这一发现终结了物理学界长期以来关于QGP是否会对穿过的夸克产生响应的核心争论。

为精确捕捉这种微弱的“尾迹”信号，研究团队采用了精妙的分析技术，专注于寻找在铅-铅（PbPb）对撞中，同时产生一个高能夸克和一个中性Z玻色子的事件。Z玻色子作为一种不与QGP介质发生显著相互作用的“中性标记物”，其方向可以精确指示出高速夸克射流的初始产生点，从而避免了背景噪声的污染。研究人员对2018年收集的PbPb碰撞数据中约130亿次事件筛选出的约2000个符合高横向动量标准的“黄金事件”进行了深入分析。

通过将这些事件相对于Z玻色子的角度和伪快度分布进行映射，研究人员在与质子-质子（pp）碰撞参考数据对比后，观察到了在低横向动量（约1-2 GeV）粒子分布中，与Z玻色子相反一侧存在着一致性的不对称变化，即存在粒子密度的“空洞”和“反冲增强”区域。这项成果不仅是对理论模型的经验性验证，也为深入探索极端物质的输运性质，如粘度和扩散率，提供了新的度量标准。CERN的重离子物理项目利用LHC的铅离子对撞能量（5.02 TeV/核子），使得所产生的QGP更热、更致密，寿命也更长，测试了宇宙冷却并向质子和中子阶段过渡时所遵循的物理定律。

MIT的Yen-Jie Lee教授在物理学界拥有深厚背景，他曾于2012年至2013年间在CERN获得奖学金，并曾担任CMS合作组织内重离子物理小组的联合召集人。此次利用CMS探测器获得的证据，标志着人类对宇宙诞生之初那一瞬间的理解又迈出了坚实的一步，即宇宙的“原始汤”确实是具有集体流动特性的液体。研究人员计划在2026年3月于加州大学洛杉矶分校（UCLA）举行的第22届夸克物质中的奇异性会议（SQM2026）上，进一步探讨QGP的精细特性。