宇宙诞生后的百万分之一秒里发生了什么？这个几乎无法想象的时间尺度，恰恰是物理学中最关键的时刻之一。物理学家认为，宇宙最早的物质形态——夸克-胶子等离子体，正是在大爆炸后约138亿年的这一瞬间出现的。
这种极其致密、炽热的物质状态，存在于早期宇宙温度高到无法形成质子和中子的时刻。随着宇宙冷却和膨胀，自由漂浮的夸克和胶子开始结合，形成了所有物质的基本构件，包括那些必需的原子质子和中子。
理论困境：只有重金属才能产生等离子体？
然而，这个理论存在一个问题。研究人员长期以来认为，等离子体只能由原子核极重的元素（如铅）之间的碰撞产生。为了探索这个难题，瑞士哥本哈根大学和欧洲核子研究中心（CERN）的团队决定通过以接近光速撞击元素，重现他们自己的“迷你”大爆炸。
他们的研究结果最近发表在《物理评论快报》上，标志着量子物理学的一项重大突破——这表明原始夸克-胶子等离子体“汤”实际上可以用较轻的成分产生。
用轻核碰撞揭示原子核形状
“精确理解核结构有助于我们理解强力，”研究合著者、现就职于马里兰大学的物理学家尤邹（You Zou）在一份声明中表示。“但我们不是在低能量下仔细研究原子核，而是以我们能创造的最高能量将它们撞击在一起，现在可以从它们留下的印记中读出它们的形状。”
在这项研究中，邹和同事们检查了将较小的原子核氧-16和氖-20相互发射后产生的后果。虽然团队无法直接观察碰撞本身，因为相互作用发生得极其迅速，但他们可以研究碰撞后不久形成的粒子和形状。
研究合著者、尼尔斯·玻尔研究所物理学家埃米尔·戈尔姆·达尔贝克·尼尔森将这种情况比作光的特性——以及光的缺失。
“这有点像把光照在物体上看到它的影子。你不能直接看到物体，但它的影子揭示了它的形状，”他说。“同样，粒子的运动揭示了碰撞开始时存在的原子核的几何形状。”
氧原子核碰撞产生更圆粒子模式
物理学家现在知道，两个氧原子核之间的碰撞会产生更圆的粒子模式，而氖原子核碰撞在一起则会产生更像保龄球瓶的模式。这些发现为理解早期宇宙的极端条件提供了新的视角，也为研究原子核结构开辟了新的途径。
这项研究的突破之处在于，它挑战了长期以来关于夸克-胶子等离子体只能由重核碰撞产生的假设。通过使用较轻的原子核，研究人员不仅验证了理论预测，还发现了不同原子核碰撞产生的不同几何模式，这为核物理研究提供了全新的工具。
从“迷你大爆炸”到理解宇宙起源
这种“迷你大爆炸”实验的意义不仅限于验证理论。通过研究不同原子核碰撞产生的粒子模式，科学家可以更深入地了解原子核的内部结构，进而理解强力——自然界四种基本力之一——是如何运作的。
对于普通读者来说，这项研究最令人兴奋的地方在于：我们正在通过实验室里的微小碰撞，逐步还原宇宙诞生最初瞬间的图景。每一次这样的实验，都让我们离理解宇宙如何从一团炽热的粒子汤演变成今天这个充满星系、恒星和生命的宇宙更近一步。
当然，这只是一个开始。研究团队表示，他们计划进一步探索不同元素组合的碰撞，以绘制更完整的原子核形状图谱。随着实验数据的积累，我们对宇宙早期状态的理解将变得更加精确。
热门跟贴