科學家找到區分夸克和膠子的新方法，將有助於理解宇宙誕生的過程

理論物理學家提出了一種新的方法，來分析粒子碰撞實驗的信號。若能區分質子碰撞後形成的「夸克噴注」和「膠子噴注」，將有助於了解這兩種基本粒子之間的相互作用，進而幫助我們更好地理解宇宙誕生的過程。

概念視覺藝術動畫gif；供圖：莫里茨?海勒；版權：CC BY-SA 3.0

來源 | AIP Inside Science

作者 | Yuen Yiu

宇宙中萬物都是由原子組成的，無論它們是來自月球上的岩石還是太陽的核心。而原子又是由質子和中子等粒子組成。今天我們所要討論的夸克和膠子，則是質子和中子等較大粒子的組成部分。夸克和膠子，與它們的近親電子一樣，都被歸類為組成物質的基本粒子，但在大眾眼中，它們仍然相對神秘。通常，夸克和膠子是緊密糾纏在一起的，科學家們必須通過建造如同一個城市般大小的大型粒子加速器來加速質子，讓其在高速碰撞中被徹底「粉碎」，夸克和膠子才能分開。而後科學家令分開的夸克和膠子在加速器中飛行足夠長的時間，來分別研究它們。

不過，最近發表在《物理評論快報》雜誌上的一篇論文，描述了另外一種全新的研究夸克和膠子的方法。通過這種新方法，我們將可以更好地理解這兩個高度糾纏在一起的基本粒子。

緊密糾纏在一起的夸克（紅、綠、藍）和膠子（白）；圖片來源於網路

不同的粒子，相似的性質

目前，世界上最大的粒子加速器——「大型強子對撞機」，坐落在法國和瑞士的邊境，靠近日內瓦。通過它，科學家們可以精確地、快速地粉碎質子，釋放出夸克和膠子。釋放出來的夸克和膠子會在不到一秒的時間內重新結合，並將碰撞時所產生的能量轉化為質量，噴射出數以百計的其他粒子。

在這個過程中，夸克和膠子共存的時間非常短暫。對於科學家們來說，想要弄清楚在如此短暫的時間內發生了什麼，唯一途徑就是研究此過程中噴射出來的其他粒子。這有點像法醫需要通過檢查犯罪現場遺留的彈道軌跡和散落碎片，才能試圖還原事發經過。

這些被噴射出來的粒子束被形象地稱為「夸克噴注」和「膠子噴注」。由於夸克和膠子本身彼此之間並沒有明顯的區別，如何區分這兩種不同的噴注一直困擾著科學家們。

加文?薩拉姆（Gavin Salam）是一位來自歐洲核子研究委員會的理論粒子物理學家，他並沒有參與這項研究。「這個問題，人類已經研究了30多年。在此前，人們提出過一系列不同的技術手段，但這些方法幾乎都要依賴於數學建模。而這篇論文最主要的進步在於作者找到了一種利用數據本身來解決問題的方法。」加文說到。

大型強子對撞機；圖片來源於網路

如何將草堆中的乾草分類

相信大多數人在學校都遇到過這樣一個經典的數學題：一個農民養了X只羊和Y只雞，雞和羊總共有20個頭和50條腿。那麼請問，雞和羊的數量分別是多少?

這個經典的數學題和如何區分夸克噴注與膠子噴注的問題是類似的，不同的是：在這裡，科學家們「甚至不知道圍欄裡面究竟是什麼動物。所以想要解決這個問題，首先就必須要從這些數據中分析得知每種動物本身有幾條腿。」 這是該項研究的作者之一，來自麻省理工學院的理論粒子物理學家，傑西·泰勒（Jesse Thaler）的原話。

在每次碰撞中，夸克和膠子都會噴出不同數量和類型的粒子，每種粒子都攜帶著不同的能量，並向不同方向噴射。如果能了解夸克噴注和膠子噴注之間的區別，就可以反過來推導出夸克和膠子在「夸克濃湯」——也就是所說的夸克—膠子等離子體——中緊密糾纏時，二者之間是如何相互作用的。

鉛原子核碰撞可以重現宇宙大爆炸；圖片來源於網路

宇宙大爆炸和暗物質

在宇宙大爆炸之後最初的幾毫秒里，人們相信，由於當時宇宙的溫度極高，普通的原子是不可能存在的，所有物質都以夸克-膠子等離子體的形式存在，這與在粒子加速器中產生的夸克-膠子等離子體完全類似。

泰勒教授解釋到：「如果想了解宇宙早期等離子體的性質，一種可行的方法是研究粒子加速器中這些碰撞過程產生的夸克-膠子等離子體。在某種意義上，通過將鉛原子核撞擊在一起，可以重現宇宙大爆炸時的情景，至少在那麼一瞬間是這樣。」，

大型強子對撞機能夠以接近光速的速度將粒子粉碎，其本質就是一個小型的宇宙大爆炸。在這個碰撞過程中，溫度將上升到接近太陽中心溫度的100萬倍。如果能區分夸克和膠子的特徵，將幫助科學家了解這兩種基本粒子之間是如何發生相互作用的，進而幫助我們更好地理解宇宙誕生的過程。

薩拉姆教授最後說到:「我們想區分夸克和膠子，還有另一個原因——尋找暗物質。它與夸克、與膠子之間，可能有著不同的相互作用。」另外，它還可能幫助基礎物理學家尋找超對稱性，這是一種尚未得到證實的理論，物理學家們試圖用它來描述被稱為「玻色子」和「費米子」的兩類基本粒子之間的關係。

大型強子對撞機成功創造迷你版宇宙大爆炸；圖片來源於網路

翻譯 | 谷大春

責編 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/fresh-look-quark-gluon-plasma-soup

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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