在大爆炸后的第一個瞬間，宇宙不過是夸克和膠子的“湯”——亞原子粒子，它們將成為質(zhì)子和中子的組成部分。

現(xiàn)在138億年后的今天，科學(xué)家們在實驗室里重新創(chuàng)造了這種原始的湯。利用位于紐約厄普頓的布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，物理學(xué)家通過將不同的質(zhì)子和中子組合粉碎在一起，產(chǎn)生了這種夸克膠子等離子體的微小液滴。研究人員發(fā)現(xiàn)，在這些碰撞過程中，組成質(zhì)子和中子的夸克和膠子釋放出來，表現(xiàn)出液體的特性。根據(jù)研究人員將粒子組合在一起的方式，這些微小的液體狀等離子體球形成了三種不同的幾何形狀之一：圓形、橢圓形或三角形。

博科園-科學(xué)科普：參與這項研究的科羅拉多大學(xué)博爾德分校(University of Colorado Boulder)物理學(xué)家杰米納格爾(Jamie Nagle)在一份聲明中說：實驗結(jié)果讓我們更接近于回答一個問題，那就是宇宙早期能夠存在的最小物質(zhì)量是多少?？淇四z子等離子體于2000年在布魯克海文首次被創(chuàng)造出來，當(dāng)時研究人員將金原子的原子核擊碎在一起。當(dāng)時日內(nèi)瓦大型強子對撞機(Large Hadron Collider)的科學(xué)家們打破了人們的預(yù)期，將兩個質(zhì)子碰撞在一起，產(chǎn)生了等離子體。加州大學(xué)博爾德分校的官員在聲明中表示:“這令人驚訝，因為大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，單個質(zhì)子無法提供足夠的能量，制造出任何可以像流體一樣流動的物體。

物理學(xué)家利用布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，創(chuàng)造了三種不同形狀的夸克膠子等離子體塊。這種等離子體是一種奇特的物質(zhì)，在大爆炸后的最初幾毫秒就充滿了宇宙。圖片：Javier Orjuela Koop

納格爾和他的同事決定通過制造微小的球狀物質(zhì)來測試這種奇異物質(zhì)狀態(tài)的流體性質(zhì)。研究人員預(yù)測，如果等離子體真的表現(xiàn)得像液體，這些小球體應(yīng)該能夠保持形狀。想象有兩個液滴在真空中膨脹，如果這兩個液滴真的很接近，那么當(dāng)它們向外膨脹時，就會相互碰撞，相互擠壓，這就是形成這種模式的原因。加州大學(xué)博爾德分校的官員說：換句話說如果你把兩塊石頭近距離扔進(jìn)一個池塘，這些撞擊產(chǎn)生的漣漪就會相互碰撞，形成一個類似橢圓的圖案。如果你把一個叫做氘核的質(zhì)子-中子對撞成更大的東西，結(jié)果也可能是一樣的……同樣地質(zhì)子-質(zhì)子-中子三元組，也被稱為氦-3原子，可能會膨脹成類似三角形的東西。

這張圖表顯示了不同類型的原子碰撞如何產(chǎn)生不同形狀夸克膠子等離子體。在最上面一行，一個質(zhì)子被粉碎成一個金原子，形成一個圓形的等離子體。在中間一行，氘核(質(zhì)子-中子對)與金原子的碰撞形成一個橢圓團。在最下面一行，氦-3與金原子碰撞形成一個三角形。圖片：PHENIX/Nature 2018

通過將這些不同的質(zhì)子和中子組合以接近光速的速度撞擊到金原子中，研究人員能夠完成他們所希望的事情:創(chuàng)造出橢圓和三角形的夸克膠子等離子體。當(dāng)科學(xué)家們把一個質(zhì)子撞擊到金原子上時，結(jié)果是一個圓形的原始湯狀物。這些短壽命的夸克膠子等離子體液滴達(dá)到了幾萬億攝氏度的溫度。加州大學(xué)博爾德分校的官員說：研究人員認(rèn)為，研究這類物質(zhì)“可以幫助理論家更好地理解宇宙中最初的夸克膠子等離子體如何在幾毫秒內(nèi)冷卻，從而產(chǎn)生第一個存在的原子。這項研究結(jié)果發(fā)表在2018年12月10日的《自然物理》上。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《自然物理》（Nature Physics）

文：Hanneke Weitering/Space

論文DOI：doi.org/10.1038/s41567-018-0360-0

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