想象一下，你有一臺顯微鏡，可以讓你近距離觀察單個原子。假設它是氫原子，最小的一種。放大觀察繞外圍軌道執行的單個電子，你會發現原子核——在這種情況下是一個單獨的質子。高中物理會讓你相信，在這個質子內部，你會發現一個由三個基本粒子組成的簡單三元組，稱為夸克——兩個上夸克和一個下夸克。但質子內部的現實要複雜得多，物理學家仍在試圖弄清其內部結構以及其組成部分如何結合以產生其質量、自旋和其他性質。
質子內部基本圖景中的三個夸克僅僅是“價夸克”——漂浮在夸克和反夸克（它們的反物質對應物）的洶湧海洋之上的浮標，以及將它們粘合在一起的粘性“膠子”粒子。質子內部的夸克和膠子總數始終在變化。夸克-反夸克對不斷地產生和消失，膠子傾向於分裂和倍增，尤其是在質子加速時。這基本上是純粹的混亂。強力——自然界四種基本力中最強大的一種——將這種混亂限制在質子和中子的內部。除非情況並非如此。
在大爆炸後的最初極短瞬間，宇宙太熱太稠密，強力無法將夸克和膠子束縛在一起。相反，它們變成了一個海洋——一種幾乎沒有阻力地流動的完美粒子液體，稱為夸克-膠子等離子體。宇宙歷史的這個階段很快就結束了。在10-6 秒內，夸克和膠子被禁錮在質子和中子內。但隨後，在137億年後，物理學家學會了如何在粒子加速器內部重現夸克-膠子等離子體。當兩個大型原子核（例如金）以接近光速的速度碰撞時，碰撞會產生形成夸克-膠子等離子體液滴所需的溫度和壓力，但只是短暫存在，然後就會瓦解。
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捕捉這些碰撞的機器是高聳的建築，成堆的探測器和儀器排列成同心環，所有這些都與數千根電線連線。去年，當我參觀了布魯克海文國家實驗室長島園區的其中兩臺機器時，我對大型技術團隊爬上多層腳手架以接近這些裝置所做的艱苦工作感到驚歎。站在這樣一個龐然大物下面，感覺就像見證了人類可以達到的頂峰——這些是有史以來建造的規模最大、結構最複雜的機器之一，所有這些都是為了研究比原子還小的原始粘液滴。研究夸克-膠子等離子體液滴讓科學家有機會了解物質是如何開始的。“這就是大約在大爆炸後10微秒時充滿整個宇宙的東西，”布魯克海文理論物理學家比約恩·申克說。“研究它使我們能夠儘可能地回到過去。”
這項研究也是瞭解強力的視窗，強力是所有自然力中最不為人所知的一種。描述這種力的理論稱為量子色動力學（QCD），它非常複雜，科學家幾乎永遠無法直接用它來計算任何東西。他們能做的最好的事情是使用執行模擬的超級計算機來獲得近似答案。“作為人類，我們想要理解自然，而理解自然的一部分是理解量子色動力學和強力，”布魯克海文核粒子物理學副實驗室主任物理學家高海燕說。“我們需要對夸克-膠子等離子體進行實驗，以瞭解這個理論是如何運作的。”
2023年4月，布魯克海文的科學家將啟動旨在研究夸克-膠子等離子體的最新實驗。該裝置名為sPHENIX，是該實驗室相對論重離子對撞機（RHIC）的兩個探測器之一，RHIC是世界上最大的粒子加速器之一。那裡的另一個探測器，RHIC螺線管跟蹤器（STAR），也在重大升級後重新開放。在大西洋彼岸的日內瓦附近歐洲核子研究中心CERN物理實驗室，全球最大的加速器大型強子對撞機（LHC）最近也開始了新的執行，升級後的探測器使其能夠一次撞擊更多的原子。這些工具共同作用，應該能夠揭示迄今為止最詳細的原始流體影像，使我們更接近解開物質最微小組成部分的秘密。
粒子在RHIC的2.4英里環形軌道上以接近光速的速度迴圈，然後在sPHENIX等探測器內部碰撞。圖片來源：克里斯托弗·佩恩
一項令人驚訝的發現
科學家在發現夸克-膠子等離子體之前很久就預測了它的存在——儘管他們預計它的形式會非常不同。這些預測出現在20世紀70年代和80年代，此前在20世紀60年代後期發現了夸克，並在1979年發現了膠子。物理學家預計，當夸克和膠子從原子核中釋放出來時，會呈現出均勻膨脹的氣態物質的形式。“通常，流體在變熱時會變成氣體，”杜克大學物理學家伯恩特·穆勒說，他從20世紀80年代開始研究夸克-膠子等離子體的理論模型。這是一個合理的假設：只有當溫度達到數萬億度時，夸克和膠子才會從原子核中釋放出來。
穆勒被這個領域吸引，是因為理論可能性非常廣泛，而且實驗資料即將開始到來。“那時我大約30歲，你環顧四周，尋找你可以從事的新事物，在那裡你可以發現很多有趣的東西。”在這個時代，物理學家正在開發將重離子——內部有數十個質子和中子的原子核——碰撞在一起的技術，他們預計這些碰撞會產生足以分解亞原子粒子的溫度和密度。最早的重離子碰撞發生在20世紀70年代的勞倫斯伯克利國家實驗室，但能量不足以產生夸克-膠子等離子體，但在1986年，CERN的超質子同步加速器（SPS）開始了它自己的重離子碰撞，這些碰撞產生了新物質狀態的第一個證據。
這花了一段時間。CERN團隊最終在2000年宣佈了他們的發現，但即使在那時，研究人員對於資料是否足夠有力來聲稱這是一項發現仍存在分歧。同年，布魯克海文的RHIC開放，並開始以高於SPS的能量撞擊重離子。在五年內，這個加速器積累了足夠的資料，物理學家宣佈正式發現了夸克-膠子等離子體。
它與他們想象的不同。夸克-膠子等離子體看起來不像膨脹氣體，而像液體——一種近乎完美的液體，幾乎沒有粘度。在氣體中，粒子單獨行動；在液體中，粒子有凝聚力地移動。粒子之間的相互作用越強——它們彼此之間能夠拉動的力越大——液體作為液體的“效能”就越好。RHIC的觀測表明，夸克-膠子等離子體對流動的阻力比以往任何已知物質都小。穆勒說，這“非常出乎意料”。
圖片來源：傑森·德雷克福德
2010年，RHIC的研究人員宣佈了夸克-膠子等離子體溫度的首次測量結果。溫度高達驚人的4萬億攝氏度，遠高於人類創造的任何其他物質，大約是太陽中心溫度的25萬倍。“通常，物質變得越熱，它就越不可能是完美的流體，”穆勒說。“但在這種情況下，情況恰恰相反——當你達到臨界溫度時，它會變成液體。”科學家懷疑強力是這種奇怪行為背後的原因。當粒子的溫度足夠高以至於可以從質子和中子中逃逸出來時，強力會作用於整個等離子體，導致粒子的集體質量彼此強烈相互作用。
強力之謎
關於夸克-膠子等離子體，最大的未解之謎之一是，夸克和膠子究竟何時突破它們的禁閉。“普通物質和夸克-膠子等離子體之間的界限在哪裡？”高海燕問道。“核物質和夸克-膠子等離子體共存的所謂臨界點在哪裡？” 瞭解這種轉變發生在何處，以及需要多少粒子才能引發集體行為，將是新的和升級的實驗的主要目標之一。
另一個問題是夸克-膠子等離子體是否是分形——也就是說，它的結構是否具有複雜的、重複的模式，無論你放大還是縮小，它看起來都一樣。一些研究人員一直在爭論夸克-膠子等離子體具有這兩個特性，並且分形理論可以為等離子體的行為提供見解。“有證據表明，我們在夸克-膠子等離子體中具有分形結構，”聖保羅大學物理研究所的物理學家艾爾頓·德普曼說。“我們還在研究分形結構是否在從等離子體到質子的相變中倖存下來。”
回答這些問題可能有助於實現一個更大的目標：理解強力，這是自然界最令人困惑的基本力。量子色動力學透過賦予夸克和膠子一種稱為色荷的屬性來描述它們之間的相互作用。這種色荷類似於電磁理論中的電荷，它也解釋了為什麼量子色動力學如此迅速地失控。雖然電磁學只有兩種電荷——正電荷或負電荷——但QCD有三種——紅、綠或藍。反物質粒子可以攜帶反紅、反綠或反藍電荷。
在電磁學中，攜帶電磁力的粒子——光子——本身是電中性的，這使得事情相對簡單。然而，在QCD中，力的載體——膠子——也攜帶色荷，並且可以透過強力與自身以及夸克相互作用。這些自相互作用和額外的電荷使得QCD變得極其複雜。“你基本上可以用兩行字寫下這個理論，但實際上解決它還沒有真正實現，”申克說。“禁閉過程——例如，膠子和夸克是如何被困在質子中的——還沒有得到解決。”
在RHIC的隧道內，“隨機冷卻踢球器”將環內的粒子推得更近，以糾正它們在行進過程中擴散的趨勢。這確保了儘可能多的粒子在探測器內部碰撞。圖片來源：克里斯托弗·佩恩
科學家希望，研究夸克-膠子等離子體——科學家唯一能夠探測未束縛夸克的情況——可以揭示更多關於禁閉如何工作的資訊。“獲得資訊的一種方法是釋放它們，看看它們如何再次重組為質子、中子和我們可以從探測器中觀察到的其他粒子，”申克補充道。因此，來自重離子碰撞的實驗資料可以用來更好地理解QCD內部導致禁閉的機制。
新的和改進的
藉助RHIC的新實驗sPHENIX和升級後的STAR探測器，科學家應該能夠對等離子體進行最精確的測量。例如，sPHENIX有一個超導磁體，其強度大約是STAR的三倍。“這對於我們想要測量的許多事物都很重要，”布魯克海文物理學家大衛·莫里森說，他正在研究這臺新機器。“如果你發生碰撞，粒子會向四面八方飛出，然後磁場會彎曲它們的路徑。我們可以透過觀察這一點來開始解開它是什麼型別的粒子，以及它有多少能量和動量？” 該團隊希望發現稱為Upsilon的複合粒子。Upsilon包含一個底夸克和一個反底夸克，可以在碰撞中形成，然後穿過夸克-膠子等離子體，充當測試探針，以揭示等離子體如何改變它們。“我們可以真正解開許多夸克-膠子等離子體奇怪特性背後的物理學，”他補充道。
該實驗還將受益於能夠記錄更多的資料——這意味著比以前可能的更多的碰撞和它們產生的粒子。STAR每年捕獲約10拍位元組的資料；sPHENIX每年將捕獲約150拍位元組的資料。這種增加將使以前無法回答的問題變得觸手可及。
STAR還具有新的功能，例如用於測量粒子能量的新型量熱計和用於識別具有不同電荷的粒子的跟蹤探測器。布魯克海文的STAR發言人之一李娟阮表示，最重要的補充之一是“前向”探測器，它可以記錄以比以前更寬的角度飛出碰撞的粒子，包括與輸入碰撞的光束方向相同的粒子。“現在基本上就是這樣了——我們不會再升級了，”阮說，她多年來一直在STAR工作，並且在大約20年前作為研究生時幫助建造了它的一些早期元件。“當您只是使用探測器時，與您實際構建它並讓整個合作團隊可以使用它時，感覺是不同的，”她說。“我感到自豪。” STAR是幫助發現夸克-膠子等離子體的最初RHIC實驗之一，將在關閉前再執行三年。
在歐洲，LHC最近開始了第三次執行，該運行於2022年7月開始，並將持續到2025年。經過最新的升級，LHC科學家可以分析的鉛-鉛碰撞次數大約是前兩次執行期間的100倍。額外的碰撞也將提高測量的精度。“第三次執行的重要目標之一是精確量化夸克-膠子等離子體的性質，並將它們與其組成部分的動力學聯絡起來，”LHC的ALICE實驗成員盧西亞諾·穆薩說。
與RHIC實驗相比，LHC碰撞發生在更高的能量下，併產生更熱、更密集和壽命更長的夸克-膠子等離子體。這些高能碰撞還產生了更多種類的粒子，科學家可以用它們來探測等離子體的性質。“RHIC和LHC的研究確實是相輔相成的，”穆薩說。“在不同能量尺度下以及在CERN和RHIC使用不同碰撞系統研究相對論核碰撞的性質，使我們能夠更深刻、更全面地理解核物質。”
不同的能量範圍揭示了等離子體的不同方面。範德比爾特大學的物理學家拉加夫·昆納瓦爾卡姆·埃拉亞瓦利在LHC完成了他們的博士學位工作，但最近成為STAR和sPHENIX合作團隊的成員，專注於來自低能量碰撞的粒子。“它們更接近等離子體的尺度；它們與等離子體進行了更多的對話，”昆納瓦爾卡姆·埃拉亞瓦利說。“把它想象成一個派對：有很多人，你正徑直走向出口。但如果你有點慢，並且不想走得那麼快，你就有機會在離開的路上與人交談。” 因為在RHIC中穿過夸克-膠子等離子體的粒子需要更長的時間才能穿過它，所以它們可以從中提取更多的資訊。“我們試圖測量的東西是輸運性質——你可以不與其他粒子相互作用而行進的平均距離，”他們補充道。“它告訴我們關於等離子體基本尺度的資訊。”
回到起點
夸克-膠子等離子體實驗的新時代應該將該領域從基礎知識推向長期存在問題的具體答案。“RHIC曾經有一個物理學時期，基本上是，‘哇，這正在發生——這是新的物理學，’”昆納瓦爾卡姆·埃拉亞瓦利說。“現在我們正處於精確時代。我們可以問，‘為什麼會發生這種情況？’”
物理學家李娟阮正在RHIC的STAR探測器核心內部窺視。在STAR的核心，重離子在圓柱形螺線管電磁鐵內部碰撞。碰撞中產生的能量可以產生數千個新粒子。圖片來源：克里斯托弗·佩恩
RHIC和LHC正在引領理解這種特殊物質狀態的努力，但其他地方即將進行的實驗也將增加見解。在CERN，除了LHC之外，SPS加速器仍在執行。計劃在那裡進行的一項名為NA61/SHINE的實驗將把移動的離子撞擊到靜止的目標上，以測量質子和中子變成夸克-膠子等離子體的臨界點。第二個固定目標實驗，德國GSI達姆施塔特的反質子和離子研究裝置（FAIR），計劃於2028年開放。在莫斯科附近杜布納的聯合核研究所，一個名為基於核子加速器的離子對撞機裝置（NICA）的對撞機也將探測臨界點。
“這是一個激動人心的時刻，”穆勒說。“我們知道夸克-膠子等離子體存在於早期宇宙中，但我們無法探測它。這是我們探測一種物理狀況的方式，否則我們沒有希望達到。”