大型强子对撞机如何产生大爆炸等离子体

通常情况下，创造宇宙并不是大型强子对撞机 (LHC) 的工作。世界上规模最大的粒子加速器的大部分艰苦科学研究（例如，挑选和追踪希格斯玻色子）都是在它以接近光速的速度发射质子时进行的。

但每年年底的大约一个月时间里，LHC 会将其弹药从质子转换为重量大约 208 倍的子弹：铅离子。

当大型强子对撞机将这些离子相互碰撞时，科学家们可以——如果他们能正确地计算出一切的话——瞥见一个转瞬即逝的宇宙液滴，就像大爆炸后几百万分之一秒不复存在的宇宙一样。

这就是夸克胶子等离子体的故事。取一个原子，任何原子。剥去其旋转的电子云，露出其核心，即原子核。然后，将原子核精细地切成其基本成分，即质子和中子。

当物理学家在 20 世纪初首次分裂原子核时，他们只能做到这点。质子、中子和电子构成了整个宇宙的质量——好吧，就是这些，加上一些短暂的带电粒子，如介子。但计算、原始粒子加速器和撞击地球大气层的宇宙射线开始揭示出另外一些深奥的粒子：介子、介子、超子和其他听起来好像能赋予外星人精神力量的粒子。

宇宙中出现如此多的基本成分似乎有些不雅观。物理学家很快发现，其中一些粒子根本不是基本粒子，而是更微小粒子的组合，他们用一个部分受詹姆斯·乔伊斯《芬尼根守灵夜》启发的词来命名这些粒子：夸克。

夸克有六种不同的“味道”，但可观测宇宙的绝大部分只由两种夸克组成：上夸克和下夸克。质子由两个上夸克和一个下夸克组成；中子由两个下夸克和一个上夸克组成。（其余四种，按重量和难以捉摸的程度依次为：奇夸克、粲夸克、美夸克和顶夸克。）

至此，原料清单就结束了。在我们的世界中，通常无法将质子或中子分解成夸克；在大多数情况下，夸克不能独立存在。但到了 20 世纪 70 年代，物理学家想出了一个变通方法：加热物体。在科学家称之为哈格多恩温度的温度下，这些亚原子粒子被分解成高能的夸克汤和将它们粘合在一起的更小的粒子：胶子。科学家将这种汤称为夸克胶子等离子体 (QGP)。

这是一个诱人的配方，因为夸克和胶子通常不能单独存在，而从它们构建的较大粒子中重建它们是一项挑战。“如果我给你水，很难分辨出[氢和氧原子]的性质，”印度国家科学教育与研究学院和欧洲核子研究中心的物理学家贝丹加达斯·莫汉蒂说。“同样，我可以给你质子、中子、介子……但如果你真的想研究夸克和胶子的性质，你需要把它们放在一个盒子里，免费。”

这不是可以在家用烤箱中测试的配方。以日常世界的单位计算，强子系统的温度约为 3 万亿华氏度——比太阳中心的温度高 10 万倍。最适合这项工作的设备是粒子加速器。

但并非任何粒子加速器都能做到这一点。你需要用足够的能量来加速粒子。当科学家们开始制造 QGP 时，LHC 只不过是一个遥远未来的梦想。相反，CERN 拥有一台较旧的对撞机，其周长只有 LHC 的四分之一：超级质子同步加速器 (SPS)。

顾名思义，SPS 的设计目的是将质子撞击固定目标。但到了 20 世纪 80 年代末，科学家们决定尝试用重离子（铅原子核）替换质子，看看效果如何。在 20 世纪 90 年代的一次又一次实验中，CERN 的研究人员认为他们看到了原子核发生了什么变化。

荷兰国家亚原子物理研究所和欧洲核子研究中心的物理学家 Marco van Leeuwen 表示：“让我们有些惊讶的是，在如此低的能量下，我们似乎已经制造出了夸克胶子等离子体。”2000 年，他的团队声称他们有“令人信服的证据”证明这一成就。

大西洋彼岸，CERN 的同行，位于长岛的布鲁克海文国家实验室，一直在抱着同样乐观和不确定的态度尝试。这种不确定性在 2000 年左右逐渐消退，当时布鲁克海文启动了相对论重离子对撞机 (RHIC)，这是专为制造 QGP 而设计的设备。

布鲁克海文国家实验室的物理学家詹姆斯·邓洛普说：“RHIC 启动后，我们深入到了夸克胶子等离子体之中。”

因此，当今世界有两大 QGP 工厂：CERN 和布鲁克海文。借助这对对撞机，在量子物质存在于世的短暂闪烁中，物理学家可以观察到等离子体在他们所谓的“小爆炸”中形成。

穿越时空

你旅行的时间越接近大爆炸，你所看到的宇宙就越不像你所熟悉的宇宙。截至撰写本文时，詹姆斯·韦伯太空望远镜可能已经观测到了大爆炸后约 3.2 亿年的星系。再往前追溯，你就会到达一个名副其实的黑暗时代——那是第一批恒星出现之前的时代，当时除了宇宙背景之外，几乎没有什么东西可以照亮宇宙。

在这个黑暗的时代，天文学逐渐让位于亚原子物理学。再往前追溯，大爆炸后仅 38 万年，电子才刚刚结合其原子核形成原子。继续往前追溯；宇宙越来越小、越来越稠密、越来越热。大爆炸后几秒钟，质子和中子还没有结合形成比氢更复杂的原子核。

再往前追溯，大约是大爆炸后百万分之一秒，宇宙的温度足够高，夸克和胶子可以保持分裂状态。这是物理学家试图创造的这种宇宙的微缩版本。

物理学家们在办公大楼里苦苦思索宇宙，比如俯瞰 CERN 游客中心的那栋精致现代风格的办公大楼。从这栋大楼的窗户往外看，你可能会看到日内瓦有轨电车线路的终点站。该市的主要火车站 Cornavin 距离这里只有 20 分钟路程。

CERN 物理学家 Urs Wiedemann 和 Federico Antinori 在他们的办公室会见了我。Wiedemann 是一位理论物理学家；Antinori 是一位实验物理学家，负责重离子碰撞实验。研究 QGP 需要两人的才能。

安蒂诺里说：“我们已经证实了夸克胶子等离子体的存在。最有趣的是了解它是什么动物。”

例如，最先创建 QGP 的同事原本以为会发现一种气体。但事实并非如此，QGP 的行为就像液体。事实上，QGP 的行为就像所谓的完美液体，几乎没有粘性。（是的，早期宇宙可能曾短暂地是一种过热的海洋。许多创世神话可能会在粒子加速器内发现一面遥远的镜子。）

Antinori 和 Wiedemann 都对观察液体的形成过程、观察原子核的分裂过程特别感兴趣。一些科学家将这一过程称为“相变”，就好像创建 QGP 就像融化雪来产生液态水一样。但将质子和中子转化为 QGP 远不止融化冰那么简单；它创造了一种转变，进入一个完全不同的世界，拥有完全不同的物理定律。“我们生活的世界的对称性发生了变化，”Wiedemann 说。

在宇宙极早期，当它冷却到低于哈格多恩温度时，这种转变反向发生。夸克和胶子聚集在一起，形成质子和中子，进而形成我们今天所熟知和喜爱的原子。

但物理学家很难用数学来理解这一过程。他们通过在实验室中研究 QGP 碰撞来接近这一目标。

QGP 也是强核力的实验室。强核力是宇宙的四种基本力之一（与引力、电磁力和控制某些放射性过程的弱核力一起），它将粒子聚集在原子的中心。QGP 名称中的胶子是强核力的工具。如果没有它们，带电粒子就会相互电磁排斥，原子就会分裂。

然而，尽管我们对引力和电磁力了解颇多，但强核力的内部运作仍是一个秘密。此外，科学家还想进一步了解强核力的作用。

“你可以说，‘我理解电子如何与光子相互作用，’”维德曼说，“但这并不意味着你理解激光如何运作。这并不意味着你知道这张桌子为什么不会坏。”

再次，为了理解这些事情，他们必须将重离子碰撞在一起。

借助 SPS 之类的技术，科学家可以观察 QGP 液滴并确认它们的存在。但如果他们想真正窥视其内部并了解其特性，即对其进行研究，他们需要更强大的技术。

安蒂诺里说：“很明显，我们必须采用比 SPS 所能提供的更高的能量。”

宇宙伪造机器

从 CERN 园区进入法国，很难看出这座郁郁葱葱、景色宜人的山谷坐落在汝拉山脉的优美景色之下，周围是一条 17 英里长的超导磁体和钢铁环。环周围散布着各种实验和探测器。寻找 QGP 的总部就位于其中的一个探测器上。

这条路穿过圣热尼普伊这个闪闪发光的小村庄，欧洲核子研究中心的许多工作人员都住在这里。在田园般的郊区，坐落着一群工业长方体和冷却塔。

除了俯瞰停车场的波纹金属立面上的壁画外，该建筑群并没有真正宣传这里就是科学家们寻找 QGP 的地方——这些仓库般的建筑物之一是大型离子对撞机实验的外壳，该实验名为大型离子对撞机实验（ALICE）。

欧洲核子研究中心的物理学家尼玛·扎尔多什蒂在那幅壁画下迎接我：ALICE 的探测器，即 QGP 观察者，描绘在一幅色彩柔和的壁画中。扎尔多什蒂领着我走进去，经过一间在登月纪录片中看起来不会显得格格不入的控制室，绕过一个被金属板覆盖的角落，来到一处悬崖。一个混凝土屏蔽层覆盖着它，下面有好几层楼。“正是这种混凝土阻止了辐射，”他解释道。

在它下面，看不见的地方，放着真正的机器，它的大小和一栋小楼差不多，重量几乎和埃菲尔铁塔一样。探测器位于地下 180 多英尺处，可通过矿井升降机到达。大型强子对撞机运行时，任何人都不得进入那里，除了 CERN 的消防部门，因为一旦任何放射性或危险材料燃烧，消防部门需要迅速进入现场。

在该机器内碰撞的重离子并非源自这栋建筑。几英里之外是旧的 SPS，它被改造成 LHC 的第一个垫脚石。SPS 将铅核束加速到非常接近光速。一旦它们准备就绪，较短的对撞机就会将它们卸载到较长的对撞机中。

但与 SPS 不同的是，LHC 并不进行固定目标实验。相反，ALICE 会创造一种磁挤压，促使沿相反方向运动的引力束发生猛烈的正面碰撞。

铅离子是优良的原料。铅-208 离子有 82 个质子和 126 个中子，这两个都是“神奇的数字”，有助于使原子核尽可能呈球形。球形原子核能产生更好的碰撞。（大西洋彼岸，布鲁克海文的 RHIC 使用金离子。）

ALICE 的探测器不是照相机；QGP 不像是你能“看见”的光球。当这些铅离子以高能量碰撞时，它们会爆发出 QGP 闪光，然后消散成更小粒子的完美风暴。探测器不是观察光，而是观察粒子的散落。

质子与质子之间的碰撞可能会产生几十个粒子，如果物理学家足够幸运的话，甚至可能产生一百个粒子。重离子碰撞则会产生数千个粒子。

当重离子碰撞时，它们会产生 QGP 闪光和更“正常”粒子的尖锐喷流：通常是重夸克的组合，如粲夸克和美夸克。喷流在到达探测器之前会穿透 QGP。物理学家可以通过检查这些喷流及其在穿过时的变化来重建 QGP 的样子。

首先，这些粒子会撞击硅芯片，就像智能​​手机中的像素一样。然后，粒子会穿过一个时间投影室：一个充满气体的圆柱体。它们仍以高能量划过，像流星划过高层大气一样穿过气体原子。它们将电子从原子中撞出，留下了时间投影室可以捕捉到的明亮轨迹。

对于粒子物理设备的爱好者来说，时间投影室让 ALICE 变得特别。“它非常有用，但它的缺点是速度太慢，这也是其他实验不使用它的原因，”Zardoshti 说。“我认为这个过程大约需要百万分之一秒。”

ALICE 每秒产生约 3.5 TB 的数据，相当于三部完整故事片。物理学家处理这些数据以重建产生粒子的 QGP。大部分数据都在这里处理，但大部分数据也由庞大的全球计算机网络处理。

从粒子加速器到中子星

粒子物理学是一个永远将目光投向未来几十年的领域。虽然 ALICE 于 2010 年开始运行，但物理学家早在 20 世纪 90 年代初就已经开始规划，而那时科学家甚至还没有探测到 QGP。

他们目前面临的一个大问题是，他们能否通过粉碎比铅或金更小的离子来制造 QGP。他们已经用氙气取得了成功；今年晚些时候，他们想尝试用氧气等更稀薄的物质。“我们想看看：我们可以在哪里制造这种材料？”扎尔多什蒂说。“氧气是否已经太轻了？”他们希望这种赋予生命的元素能够发挥作用。但在粒子物理学中，事后才能确切知道。

从长远来看，ALICE 的管理者们有宏伟的计划。2025 年后，LHC 将关闭数年，进行维护和升级，这将提高对撞机的能量。除了这些升级之外，ALICE 的探测器还将进行全面改造，计划最早于 2033 年安装。所有这些都是提前多年精心规划好的。

CERN 的管理者们大胆地为更遥远的未来设计了一台未来环形对撞机，其规模将是 LHC 的三倍多，而且要到 2050 年代才能投入使用。目前还没有人确定它是否会成功；如果成功，将需要确保超过 200 亿欧元的投资。

更高的能量、更大的对撞机和更灵敏的探测器都为 QGP 观察者提供了更强大的工具。他们寻找的粒子非常微小，寿命极短，他们需要这些工具来观察更多粒子。

尽管粒子物理学家花费了数十亿欧元和数十年的努力才将早期宇宙的碎片带回现实，但一些天体物理学家认为宇宙可能也表现出了同样的热情。

宇宙不需要粒子加速器，而是可以利用一种更强大的设备：中子星。

当一颗质量远大于太阳的巨大恒星以壮观的超新星形式结束其生命时，残留的核心碎片开始塌陷。核心不能太大，否则会坍缩成黑洞。但如果质量恰到好处，核心将达到可能将原子核撕裂成夸克的压力和温度。这就像在更自然的环境中进行的大规模 ALICE 实验——无序的宇宙，一切的开始。

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