致密小步舞曲

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宇宙是怎么诞生的，如何演化呢？好奇的人类总是不断地向大自然追问这个问题。从宇宙背景辐射以及许多天文观测的证据，我们知道宇宙的开端大概是在140亿年前，从一个极为炙热的小火球快速膨胀扩张、降温，演变成我们现在所知的宇宙。在这里，我们想问的问题是，在宇宙大爆炸1微秒后，这个极高温的世界是什么样子的呢？我们有没有办法利用实验的方法重现这个世界，来研究早期宇宙的性质呢？

掌管物质的四种作用力

我们知道，物质之间有四种作用力：重力、电磁力、强力、弱力。重力把你我安安稳稳地“粘”在地球上，也是掌管地球绕着太阳公转的力量。电磁力是日常生活中最常见的作用力，我们之所以可以看到这个世界，可以触摸到这个世界，都是因为电磁力的作用。弱作用力管理许多基本粒子之间的转换，如中子衰变为质子的过程。而四种作用力中最强的强作用力，则掌管着原子核中质子与中子之间的作用。核电厂进行核裂变反应产生大量的能量，太阳进行核聚变反应照亮整个世界，都跟强作用力有关。

在电磁力中，电子带有电荷，电子之间是以交换光子的方式来传递电磁作用力。而强作用力中，夸克带有三种色荷（通常以红、绿、蓝三种色荷来表示，要注意的是，色荷与日常生活中的颜色无关），以交换胶子来传递强作用力。强作用力与电磁力非常类似，不同之处仅在于胶子本身也带有色荷，与电磁力中的光子不同（不带电荷），且色荷有三种，电荷只有一种。从这个角度看，强作用力显然要比电磁力拥有更丰富的变化，而且强作用力的强度约比电磁力强100倍！然而在我们所见到的世界中，物质的交互作用却是以电磁作用居多，强作用力只存在于核反应中，到底为什么会有如此大的落差呢？

答案是：因为我们所处的世界跟宇宙大爆炸不久后比起来，是一个非常低温的世界。夸克与胶子这些带有色荷的基本粒子都凝结了起来，组成零色荷的强子，集中在一个极小的空间里面（半径约1费米的球体中）。就像是水在低温的时候，水分子都凝结起来变成冰块，没有办法自由移动。因为这个缘故。日常生活中不常见到强作用力的踪迹。这告诉我们，在实验中需要一个非常高温的环境，才能让质子与中子“融解”成为夸克与胶子，打破强子之间的藩篱，让夸克与胶子自由地进行交互作用。而这样子的世界，事实上曾经存在！在宇宙刚爆炸的时候，温度与能量密度非常高。量子色动力学的计算结果显示，在温度达到核弹爆炸核心温度的5000倍时，夸克与胶子不再被禁锢在强子中，而是以夸克-胶子电浆的方式存在，可以自由运动并进行交互作用。

模拟宇宙初始

如果你身处冰天雪地的阿拉斯加，身边只有冰块，没有火种，也没有其他可以升温的器具，该如何加热这个世界呢？一个很有创意的答案是：你可以让两块冰块加速相撞，将动能转换成位能，用这样的方式来融化冰块。我们所生活的宇宙也在很相似的状态，因为所处的世界温度很低，夸克与胶子都凝结成为强子，要产生宇宙刚爆炸时的能量密度，科学家所使用的方法是让重离子对撞——把重离子加速到接近光速的状态，这时候重离子因为罗伦兹收缩的缘故，变成像两个“煎饼”一样；这两个“煎饼”刘撞之后，会将大量的动量释放在一个极小的空间里，产生一个超高能量密度的环境，进而重现宇宙大爆炸的状态。

夸克-胶子电浆产生之后，由于极高的能量密度与压力，其体积快速扩张，很快便冷却碎成许多强子。这个过程的速度极快，只有10-24秒～10-23秒的时间。因此，要研究夸克-胶子电浆的性质十分不容易。事实上，在实验中我们只能借这些由夸克-胶子电浆冷却凝结成的强子，以及其他不同的粒子，来了解这种新物质的特性。

位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机，是第一个进行高能重离子对撞的加速器。金原子核在加速器中最高被加速到1000亿电子伏特，并且进行对撞。在布鲁克海文国家实验室的实验结果中，第一次证实了夸克一胶子电浆的存在。

2010年的冬天，量子物理学界有了重大突破，位于欧洲的LHC成功地完成铅原子核对撞，并且将铅原子核加速到1.38兆电子伏特，开创了一个超高能量密度的新纪元。1.38兆电子伏特这个数字或许不太易懂，其实这代表着每一个在铅原子核中的质子与中子，都带有相当于蚊子飞行时所拥有的动能。理论计算预测，在LHC中将产生体积更大、温度更高的夸克-胶子电浆，将对宇宙的起源以及高密度环境中量子色动力学的了解做出的贡献。

科学之眼——粒子侦测器

为了测量由夸克-胶子电浆冷却后产生的各种粒子，我们使用粒子侦测器来测量这些粒子的角度分布、动量以及能量。以CMS侦测器为例，主要是由超导磁铁、硅晶轨迹追迹系统、量能器以及渺子侦测器组成的。

CMS侦测器使用超导磁铁产生强大的磁场（3.8特斯拉）。碰撞中产生的带电粒子向外飞散时，会受到磁场的影响而转向，高动量的带电粒子转向程度较低，行进的轨迹比较接近直线；而低动量的带电粒子则是以接近螺线的方式向前移动。CMS侦测器中的硅晶轨迹追迹系统就像是个3D的数字相机一样，记录在对撞中产生的带电粒子的轨迹，使CMS侦测器能够测量带电粒子的动量分布以及数量。电磁量能器是由钨酸铅晶体组成的，可用来测量光子以及电子的能量。强子量能器可以用来测量中性以及带电强子的能量，并且用于夸克与胶子喷流的重建。由于渺子经过量能器时所损失的能量很低，可以穿过这些侦测器，因此在CMS的超导磁铁外层还装设了渺子侦测器，用来侦测渺子的信号。

在CMS侦测器中可以看到，电中性的光子不会在硅晶轨迹追迹系统中留下轨迹，但是会在电磁量能器中被破坏，并留下能量。带电的电子（反电子）则会在硅晶轨迹追迹系统中留下轨迹，并且将能量释放在电磁量能器中。带电强子的轨迹同样可被硅晶轨迹追迹系统记录下来，与电子不同的是，带电强子不仅会在电磁量能器中留下能量，通常也能穿过电磁量能器，到达强子量能器，然后将能量释放在强子量能器中。带电的渺子更加特殊，由于渺子不带有色荷不参与强作用，质量又比电子重约300倍，这些性质使得渺子通过介质时损失的能量较少，因此渺子能够穿过所有的侦测器以及磁铁，并且在超导磁铁外的渺子侦测器中留下信号。这些探测到的高能渺子可用于Z玻色子的重建。利用CMS这个“科学之眼”，我们可以捕捉碰撞中产生的除微中子以外的所有粒子，并且分辨它们。而通过观测这些由夸克-胶子电浆冷却凝结而成的碎片，我们可以推测在碰撞中产生的新物质的特性。

新物质——夸克-胶子电浆

实验物理学家常将电子射向想研究的物质，利用电子偏折的角度来研究物质的结构。然而重离子对撞所产生的夸克-胶子电浆存在时间极为短暂，且体积微小，因此测量这种新物质的性质非常不容易，也是实验中最具挑战性的地方。基本上，测量夸克-胶子电浆的方法大致可以分为两类：第一种是测量夸克-胶子电浆散开后所产生的粒子，从这些粒子的数量、角度分布以及能量大小，来推测夸克-胶子电浆的性质。第二种方法是在碰撞中利用与夸克一胶子电浆同时产生的高能量夸克、胶子以及光子，让这些粒子穿过夸克-胶子电浆，然后观察电浆如何改变这些高能量的粒子。

在CMS侦测器记录下来的一个铅对撞事件中可以看出，成千上万的粒子在碰撞中产生，并且在硅晶轨迹追迹系统中留下信号。经由计算机人工智能辨识，可以重建出碰撞中所产生的带电粒子轨迹以及动量大小。从强子的数量估计，科学家发现在LHC中铅对撞所产生的夸克-胶子电浆，其能量密度比日常生活中常见的其他原子核的密度高5倍～10倍。换句话说，在一个质子大小的空间里，要挤下5倍-10倍质子的能量。很显然，这种物质不太可能是由质子与中子等强子组成，而是由更高密度的夸克与胶子组成的。同时，在实验中利用量能器测量到的能量大小，也可以推出与带电粒子相同的结论，即在对撞实验中确实产生了极度致密的物质。所测量到的总能量，是在前一个实验——相对论重离子对撞机的金原子核对撞——中总能量的两三倍。

聪明的你也许会问：“如何证实在碰撞中，一个达到热平衡的夸克-胶子电浆真的产生了呢？也许这么多的粒子只是原子核中许多质子与中子之间的对撞叠加在一起所造成的，彼此并不相干！”如果在铅对撞中，所产生的粒子真的是由许多互不相干的核子对撞所造成的，侦测器所侦测到的粒子角度分布会是对称的。但如果在碰撞中所产生的物质，是已达到热平衡的夸克-胶子电浆，这时候由夸克-胶子电浆冷却所产生的粒子由于压力的作用，会产生不对称的角度分布。压力较大的方向，能测量到的能量及粒子数量较多，而压力较小的方向则会测量到比较少的粒子。

在CMS实验中，由硅晶轨迹追迹系统以及量能器测量到的粒子能量分布，真的可以见到角度的不对称性，这证实了产生的新物质的确达到热平衡，而且与相对论性流体力学的理论计算结果相符合。实验数据显示，这种新物质甚至比水还更接近理想液体。这个有趣的现象首度在相对论重离子对撞机中被发现，并且再度在LHC实验中被确认。而且在LHC的实验中，甚至在每次碰撞中，都可以直接看到粒子能量分布的不对称性。

电浆性质的精密测量

在LHC的实验中，由于对撞的能量较相对论重离子对撞机提高了17.5倍，超高能量的夸克与胶子，以及不带色荷的光子与z玻色子的产生机率大增，我们可以利用这些穿过夸克-胶子电浆的粒子，测量这些粒子如何与电浆反应，从而进行电浆性质的精密测量。由于光子与Z玻色子不带色荷，当它们通过夸克-胶子电浆时，理论预测这两种粒子不会受到强作用力的影响，会直接穿过这种新物质而不被改变。而高能量的夸克与胶子穿过电浆时，由于带有色荷，会受到强作用力的影响而损失能量，甚至因为介质的推力而改变行进方向。

利用CMS侦测器的电磁量能器与渺子侦测器，实验已成功地捕捉到光子与Z玻色子的信号，并且发现这两种不带色荷的粒子不受夸克-胶子电浆的影响，首度证实了理论的预测。而在对夸克与胶子的喷流分析中，CMS侦测器直接测量到这些喷流损失了很多能量。这个直接证据告诉我们，在铅对撞中真的有新物质产生，而且当高能夸克与胶子穿过电浆时，会受到非常强大的阻力。每前进1费米的距离，就会损失数十亿电子伏特的能量。然而奇怪的是，虽然高能量夸克与胶子在通过介质时损失了不少能量，但行进方向却出乎意料地没有任何变化！研究夸克与胶子如何损失能量可与许多理论模型做比较，初步的结果发现：这些夸克与胶子所损失的能量远高于预期，而行进方向却没有改变，与在真空中的状态无异！这些新现象没有办法利用目前的模型解释。许多更进一步的实验分析正在进行中，如寻找夸克-胶子电浆中的声波以及底夸克的测量等，将提供更多以量子色动力学以及弦论所建构的理论模型和许多珍贵的信息。

揭开早期宇宙之谜

2010年，LHC成功地加速铅原子核到1.38兆电子伏特，并且完成人类史上最高能量的重离子对撞实验。2011年，LHC更实验了比2010年高20倍的铅原子核对撞。CMS的实验结果再度证实夸克-胶子电浆在铅对撞中产生了，并且首度完成光子、z玻色子以及高能夸克（胶子）喷流的分析。这种超致密的物质，也许与宇宙大爆炸1微秒后的状况十分类似，也可能存在于中子星的核心之中。

初步的实验结果告诉我们，如果一艘火箭在早期宇宙的环境中被发射升空，我们只需要不到l纳米厚的夸克一胶子电浆，就可以让火箭在瞬间停下来，而与火箭一起前进的高能量光子则不受影响，可以顺利地穿透夸克-胶子电浆继续向前传播。如果有一个高能量的夸克在早期宇宙中“游泳”，这个夸克会受到夸克-胶子电浆的影响而很快减速，但“游泳”的前进方向却不会改变！

由于在LHC高能量的铅原子核对撞中，许多高能光子、Z玻色子以及高能量的夸克、胶子、夸克-胶子电浆一起产生，开创了一个全新的研究方向。由于光子与Z玻色子不参与强作用力，因此测量这些不带色荷的粒子可以得到夸克-胶子电浆刚产生时的初始状态，就像是利用微中子可以探测太阳的核心一样。利用超高能量的夸克与胶子穿过电浆，我们可以进行类似拉瑟福德实验的研究，只是这次不是利用电子去探测原子核，而是用这些高能夸克与胶子来探测夸克-胶子电浆的结构。

在LHC有了这些有趣的研究工具后，将有助于了解高密度环境下的量子色动力学，并且解答早期宇宙之谜。近年来弦论模型的计算与发展更提供了崭新的方向，帮助我们把在夸克-胶子电浆研究中学习到的知识，运用于各种其他的强交互作用系统。许多精彩的实验分析与理论计算，正如火如荼地进行！