宇宙是怎么誕生的，如何演化呢？好奇的人類總是不斷地向大自然追問這個問題。從宇宙背景輻射以及許多天文觀測的證據(jù)，我們知道宇宙的開端大概是在140億年前，從一個極為炙熱的小火球快速膨脹擴(kuò)張、降溫，演變成我們現(xiàn)在所知的宇宙。在這里，我們想問的問題是，在宇宙大爆炸1微秒后，這個極高溫的世界是什么樣子的呢？我們有沒有辦法利用實驗的方法重現(xiàn)這個世界，來研究早期宇宙的性質(zhì)呢？

掌管物質(zhì)的四種作用力

我們知道，物質(zhì)之間有四種作用力：重力、電磁力、強力、弱力。重力把你我安安穩(wěn)穩(wěn)地“粘”在地球上，也是掌管地球繞著太陽公轉(zhuǎn)的力量。電磁力是日常生活中最常見的作用力，我們之所以可以看到這個世界，可以觸摸到這個世界，都是因為電磁力的作用。弱作用力管理許多基本粒子之間的轉(zhuǎn)換，如中子衰變?yōu)橘|(zhì)子的過程。而四種作用力中最強的強作用力，則掌管著原子核中質(zhì)子與中子之間的作用。核電廠進(jìn)行核裂變反應(yīng)產(chǎn)生大量的能量，太陽進(jìn)行核聚變反應(yīng)照亮整個世界，都跟強作用力有關(guān)。

在電磁力中，電子帶有電荷，電子之間是以交換光子的方式來傳遞電磁作用力。而強作用力中，夸克帶有三種色荷（通常以紅、綠、藍(lán)三種色荷來表示，要注意的是，色荷與日常生活中的顏色無關(guān)），以交換膠子來傳遞強作用力。強作用力與電磁力非常類似，不同之處僅在于膠子本身也帶有色荷，與電磁力中的光子不同（不帶電荷），且色荷有三種，電荷只有一種。從這個角度看，強作用力顯然要比電磁力擁有更豐富的變化，而且強作用力的強度約比電磁力強100倍！然而在我們所見到的世界中，物質(zhì)的交互作用卻是以電磁作用居多，強作用力只存在于核反應(yīng)中，到底為什么會有如此大的落差呢？

答案是：因為我們所處的世界跟宇宙大爆炸不久后比起來，是一個非常低溫的世界?？淇伺c膠子這些帶有色荷的基本粒子都凝結(jié)了起來，組成零色荷的強子，集中在一個極小的空間里面（半徑約1費米的球體中）。就像是水在低溫的時候，水分子都凝結(jié)起來變成冰塊，沒有辦法自由移動。因為這個緣故。日常生活中不常見到強作用力的蹤跡。這告訴我們，在實驗中需要一個非常高溫的環(huán)境，才能讓質(zhì)子與中子“融解”成為夸克與膠子，打破強子之間的藩籬，讓夸克與膠子自由地進(jìn)行交互作用。而這樣子的世界，事實上曾經(jīng)存在！在宇宙剛爆炸的時候，溫度與能量密度非常高。量子色動力學(xué)的計算結(jié)果顯示，在溫度達(dá)到核彈爆炸核心溫度的5000倍時，夸克與膠子不再被禁錮在強子中，而是以夸克-膠子電漿的方式存在，可以自由運動并進(jìn)行交互作用。

模擬宇宙初始

如果你身處冰天雪地的阿拉斯加，身邊只有冰塊，沒有火種，也沒有其他可以升溫的器具，該如何加熱這個世界呢？一個很有創(chuàng)意的答案是：你可以讓兩塊冰塊加速相撞，將動能轉(zhuǎn)換成位能，用這樣的方式來融化冰塊。我們所生活的宇宙也在很相似的狀態(tài)，因為所處的世界溫度很低，夸克與膠子都凝結(jié)成為強子，要產(chǎn)生宇宙剛爆炸時的能量密度，科學(xué)家所使用的方法是讓重離子對撞——把重離子加速到接近光速的狀態(tài)，這時候重離子因為羅倫茲收縮的緣故，變成像兩個“煎餅”一樣；這兩個“煎餅”劉撞之后，會將大量的動量釋放在一個極小的空間里，產(chǎn)生一個超高能量密度的環(huán)境，進(jìn)而重現(xiàn)宇宙大爆炸的狀態(tài)。

夸克-膠子電漿產(chǎn)生之后，由于極高的能量密度與壓力，其體積快速擴(kuò)張，很快便冷卻碎成許多強子。這個過程的速度極快，只有10^-24秒～10^-23秒的時間。因此，要研究夸克-膠子電漿的性質(zhì)十分不容易。事實上，在實驗中我們只能借這些由夸克-膠子電漿冷卻凝結(jié)成的強子，以及其他不同的粒子，來了解這種新物質(zhì)的特性。

位于美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，是第一個進(jìn)行高能重離子對撞的加速器。金原子核在加速器中最高被加速到1000億電子伏特，并且進(jìn)行對撞。在布魯克海文國家實驗室的實驗結(jié)果中，第一次證實了夸克一膠子電漿的存在。

2010年的冬天，量子物理學(xué)界有了重大突破，位于歐洲的LHC成功地完成鉛原子核對撞，并且將鉛原子核加速到1.38兆電子伏特，開創(chuàng)了一個超高能量密度的新紀(jì)元。1.38兆電子伏特這個數(shù)字或許不太易懂，其實這代表著每一個在鉛原子核中的質(zhì)子與中子，都帶有相當(dāng)于蚊子飛行時所擁有的動能。理論計算預(yù)測，在LHC中將產(chǎn)生體積更大、溫度更高的夸克-膠子電漿，將對宇宙的起源以及高密度環(huán)境中量子色動力學(xué)的了解做出的貢獻(xiàn)。

科學(xué)之眼——粒子偵測器

為了測量由夸克-膠子電漿冷卻后產(chǎn)生的各種粒子，我們使用粒子偵測器來測量這些粒子的角度分布、動量以及能量。以CMS偵測器為例，主要是由超導(dǎo)磁鐵、硅晶軌跡追跡系統(tǒng)、量能器以及渺子偵測器組成的。

CMS偵測器使用超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生強大的磁場（3.8特斯拉）。碰撞中產(chǎn)生的帶電粒子向外飛散時，會受到磁場的影響而轉(zhuǎn)向，高動量的帶電粒子轉(zhuǎn)向程度較低，行進(jìn)的軌跡比較接近直線；而低動量的帶電粒子則是以接近螺線的方式向前移動。CMS偵測器中的硅晶軌跡追跡系統(tǒng)就像是個3D的數(shù)字相機一樣，記錄在對撞中產(chǎn)生的帶電粒子的軌跡，使CMS偵測器能夠測量帶電粒子的動量分布以及數(shù)量。電磁量能器是由鎢酸鉛晶體組成的，可用來測量光子以及電子的能量。強子量能器可以用來測量中性以及帶電強子的能量，并且用于夸克與膠子噴流的重建。由于渺子經(jīng)過量能器時所損失的能量很低，可以穿過這些偵測器，因此在CMS的超導(dǎo)磁鐵外層還裝設(shè)了渺子偵測器，用來偵測渺子的信號。

在CMS偵測器中可以看到，電中性的光子不會在硅晶軌跡追跡系統(tǒng)中留下軌跡，但是會在電磁量能器中被破壞，并留下能量。帶電的電子（反電子）則會在硅晶軌跡追跡系統(tǒng)中留下軌跡，并且將能量釋放在電磁量能器中。帶電強子的軌跡同樣可被硅晶軌跡追跡系統(tǒng)記錄下來，與電子不同的是，帶電強子不僅會在電磁量能器中留下能量，通常也能穿過電磁量能器，到達(dá)強子量能器，然后將能量釋放在強子量能器中。帶電的渺子更加特殊，由于渺子不帶有色荷不參與強作用，質(zhì)量又比電子重約300倍，這些性質(zhì)使得渺子通過介質(zhì)時損失的能量較少，因此渺子能夠穿過所有的偵測器以及磁鐵，并且在超導(dǎo)磁鐵外的渺子偵測器中留下信號。這些探測到的高能渺子可用于Z玻色子的重建。利用CMS這個“科學(xué)之眼”，我們可以捕捉碰撞中產(chǎn)生的除微中子以外的所有粒子，并且分辨它們。而通過觀測這些由夸克-膠子電漿冷卻凝結(jié)而成的碎片，我們可以推測在碰撞中產(chǎn)生的新物質(zhì)的特性。

新物質(zhì)——夸克-膠子電漿

實驗物理學(xué)家常將電子射向想研究的物質(zhì)，利用電子偏折的角度來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。然而重離子對撞所產(chǎn)生的夸克-膠子電漿存在時間極為短暫，且體積微小，因此測量這種新物質(zhì)的性質(zhì)非常不容易，也是實驗中最具挑戰(zhàn)性的地方。基本上，測量夸克-膠子電漿的方法大致可以分為兩類：第一種是測量夸克-膠子電漿散開后所產(chǎn)生的粒子，從這些粒子的數(shù)量、角度分布以及能量大小，來推測夸克-膠子電漿的性質(zhì)。第二種方法是在碰撞中利用與夸克一膠子電漿同時產(chǎn)生的高能量夸克、膠子以及光子，讓這些粒子穿過夸克-膠子電漿，然后觀察電漿如何改變這些高能量的粒子。

在CMS偵測器記錄下來的一個鉛對撞事件中可以看出，成千上萬的粒子在碰撞中產(chǎn)生，并且在硅晶軌跡追跡系統(tǒng)中留下信號。經(jīng)由計算機人工智能辨識，可以重建出碰撞中所產(chǎn)生的帶電粒子軌跡以及動量大小。從強子的數(shù)量估計，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在LHC中鉛對撞所產(chǎn)生的夸克-膠子電漿，其能量密度比日常生活中常見的其他原子核的密度高5倍～10倍。換句話說，在一個質(zhì)子大小的空間里，要擠下5倍-10倍質(zhì)子的能量。很顯然，這種物質(zhì)不太可能是由質(zhì)子與中子等強子組成，而是由更高密度的夸克與膠子組成的。同時，在實驗中利用量能器測量到的能量大小，也可以推出與帶電粒子相同的結(jié)論，即在對撞實驗中確實產(chǎn)生了極度致密的物質(zhì)。所測量到的總能量，是在前一個實驗——相對論重離子對撞機的金原子核對撞——中總能量的兩三倍。

聰明的你也許會問：“如何證實在碰撞中，一個達(dá)到熱平衡的夸克-膠子電漿真的產(chǎn)生了呢？也許這么多的粒子只是原子核中許多質(zhì)子與中子之間的對撞疊加在一起所造成的，彼此并不相干！”如果在鉛對撞中，所產(chǎn)生的粒子真的是由許多互不相干的核子對撞所造成的，偵測器所偵測到的粒子角度分布會是對稱的。但如果在碰撞中所產(chǎn)生的物質(zhì)，是已達(dá)到熱平衡的夸克-膠子電漿，這時候由夸NhIP3PG1KBhINqnzZnw8/dWjq+yYCijwxnXKEkYGNBI=克-膠子電漿冷卻所產(chǎn)生的粒子由于壓力的作用，會產(chǎn)生不對稱的角度分布。壓力較大的方向，能測量到的能量及粒子數(shù)量較多，而壓力較小的方向則會測量到比較少的粒子。

在CMS實驗中，由硅晶軌跡追跡系統(tǒng)以及量能器測量到的粒子能量分布，真的可以見到角度的不對稱性，這證實了產(chǎn)生的新物質(zhì)的確達(dá)到熱平衡，而且與相對論性流體力學(xué)的理論計算結(jié)果相符合。實驗數(shù)據(jù)顯示，這種新物質(zhì)甚至比水還更接近理想液體。這個有趣的現(xiàn)象首度在相對論重離子對撞機中被發(fā)現(xiàn)，并且再度在LHC實驗中被確認(rèn)。而且在LHC的實驗中，甚至在每次碰撞中，都可以直接看到粒子能量分布的不對稱性。

電漿性質(zhì)的精密測量

在LHC的實驗中，由于對撞的能量較相對論重離子對撞機提高了17.5倍，超高能量的夸克與膠子，以及不帶色荷的光子與z玻色子的產(chǎn)生機率大增，我們可以利用這些穿過夸克-膠子電漿的粒子，測量這些粒子如何與電漿反應(yīng)，從而進(jìn)行電漿性質(zhì)的精密測量。由于光子與Z玻色子不帶色荷，當(dāng)它們通過夸克-膠子電漿時，理論預(yù)測這兩種粒子不會受到強作用力的影響，會直接穿過這種新物質(zhì)而不被改變。而高能量的夸克與膠子穿過電漿時，由于帶有色荷，會受到強作用力的影響而損失能量，甚至因為介質(zhì)的推力而改變行進(jìn)方向。

利用CMS偵測器的電磁量能器與渺子偵測器，實驗已成功地捕捉到光子與Z玻色子的信號，并且發(fā)現(xiàn)這兩種不帶色荷的粒子不受夸克-膠子電漿的影響，首度證實了理論的預(yù)測。而在對夸克與膠子的噴流分析中，CMS偵測器直接測量到這些噴流損失了很多能量。這個直接證據(jù)告訴我們，在鉛對撞中真的有新物質(zhì)產(chǎn)生，而且當(dāng)高能夸克與膠子穿過電漿時，會受到非常強大的阻力。每前進(jìn)1費米的距離，就會損失數(shù)十億電子伏特的能量。然而奇怪的是，雖然高能量夸克與膠子在通過介質(zhì)時損失了不少能量，但行進(jìn)方向卻出乎意料地沒有任何變化！研究夸克與膠子如何損失能量可與許多理論模型做比較，初步的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這些夸克與膠子所損失的能量遠(yuǎn)高于預(yù)期，而行進(jìn)方向卻沒有改變，與在真空中的狀態(tài)無異！這些新現(xiàn)象沒有辦法利用目前的模型解釋。許多更進(jìn)一步的實驗分析正在進(jìn)行中，如尋找夸克-膠子電漿中的聲波以及底夸克的測量等，將提供更多以量子色動力學(xué)以及弦論所建構(gòu)的理論模型和許多珍貴的信息。

揭開早期宇宙之謎

2010年，LHC成功地加速鉛原子核到1.38兆電子伏特，并且完成人類史上最高能量的重離子對撞實驗。2011年，LHC更實驗了比2010年高20倍的鉛原子核對撞。CMS的實驗結(jié)果再度證實夸克-膠子電漿在鉛對撞中產(chǎn)生了，并且首度完成光子、z玻色子以及高能夸克（膠子）噴流的分析。這種超致密的物質(zhì)，也許與宇宙大爆炸1微秒后的狀況十分類似，也可能存在于中子星的核心之中。

初步的實驗結(jié)果告訴我們，如果一艘火箭在早期宇宙的環(huán)境中被發(fā)射升空，我們只需要不到l納米厚的夸克一膠子電漿，就可以讓火箭在瞬間停下來，而與火箭一起前進(jìn)的高能量光子則不受影響，可以順利地穿透夸克-膠子電漿繼續(xù)向前傳播。如果有一個高能量的夸克在早期宇宙中“游泳”，這個夸克會受到夸克-膠子電漿的影響而很快減速，但“游泳”的前進(jìn)方向卻不會改變！

由于在LHC高能量的鉛原子核對撞中，許多高能光子、Z玻色子以及高能量的夸克、膠子、夸克-膠子電漿一起產(chǎn)生，開創(chuàng)了一個全新的研究方向。由于光子與Z玻色子不參與強作用力，因此測量這些不帶色荷的粒子可以得到夸克-膠子電漿剛產(chǎn)生時的初始狀態(tài)，就像是利用微中子可以探測太陽的核心一樣。利用超高能量的夸克與膠子穿過電漿，我們可以進(jìn)行類似拉瑟福德實驗的研究，只是這次不是利用電子去探測原子核，而是用這些高能夸克與膠子來探測夸克-膠子電漿的結(jié)構(gòu)。

在LHC有了這些有趣的研究工具后，將有助于了解高密度環(huán)境下的量子色動力學(xué)，并且解答早期宇宙之謎。近年來弦論模型的計算與發(fā)展更提供了嶄新的方向，幫助我們把在夸克-膠子電漿研究中學(xué)習(xí)到的知識，運用于各種其他的強交互作用系統(tǒng)。許多精彩的實驗分析與理論計算，正如火如荼地進(jìn)行！