CERN ALICE實驗闡明高能對撞中輕原子核的形成機制

歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上的A Large Ion Collider Experiment (ALICE) 國際科學家團隊，已明確闡明在極端粒子對撞事件中，諸如氘核（deuterons）與反氘核（antideuterons）等輕原子核的生成途徑。這項關鍵性突破已於2025年12月10日發表於《自然》（Nature）期刊，成功解開了核物理學中一個長期存在的難題：這些結構脆弱的原子核如何在超越太陽核心溫度十萬倍以上的極端環境中得以存續。

這項由慕尼黑工業大學（TUM）研究人員領銜的工作，是基於對LHC第二階段運行期間記錄的高能質子對撞數據進行分析的結果。研究證實，構成這些原子核所需的質子和中子並非在碰撞瞬間即已存在，而是源自於一系列短壽命、高能粒子態的序列衰變，這些粒子態被識別為共振態（resonances）。 ALICE探測器的測量結果顯示，約有百分之九十的（反）氘核是經由這種特定的共振態衰變路徑形成的。

此種形成過程發生在對撞系統膨脹與冷卻的階段，使得新產生的質子或中子能在相對平靜的環境中，透過末態核融合（final-state nuclear fusion）結合在一起。慕尼黑工業大學的Laura Fabbietti教授指出，實驗證據證實輕原子核是在條件「稍微冷卻和更平靜」時才聚結，而非在初始極度高溫的交互作用階段。 此研究為理解束縛原子核的根本力量——「強相互作用」（strong interaction）——提供了至關重要的進展。

ALICE實驗的設計宗旨是透過追蹤劇烈事件中產生的粒子來研究強相互作用，它充當了一台精密相機，能夠重建每次對撞中多達2000個粒子的軌跡，以探究夸克-膠子電漿（quark-gluon plasma）如何演化為穩定物質。 慕尼黑工業大學的Dr. Maximilian Mahlein強調，這些發現與天體物理學息息相關，特別是在精確解讀宇宙射線數據方面，建立的理論模型有望為探究暗物質的本質提供新的途徑。

CERN的協作努力在2025年4月獲得進一步肯定，當時Laura Fabbietti教授與Lukas Heinrich教授共同榮獲了2025年度基礎物理突破獎（Breakthrough Prize in Fundamental Physics）。 該獎項總額高達300萬美元，分配給了ALICE、ATLAS、CMS和LHCb等LHC合作計畫中來自超過70個國家的13,508名研究人員，以表彰他們對標準模型（Standard Model）進行的高精度檢驗。 突破獎的獎金將專門用於資助成員機構的博士生在CERN進行研究實習。

此外，德國研究團體在ALICE實驗中扮演了關鍵角色，TUM目前正擔任德國ALICE研究群體（FSP ALICE）的發言機構，Fabbietti教授同時也是ORIGINS卓越集群（Cluster of Excellence）的協調人之一。 ORIGINS集群，該集群整合了粒子物理學、天文物理學和生物物理學以探索宇宙起源，已於2025年5月獲得第二期資助的批准。