麻省理工学院的物理学家们观察到了夸克高速穿过夸克-胶子等离子体时产生尾迹的第一个清晰证据，证实了等离子体的行为类似于液体。

在宇宙诞生的最初时刻，整个宇宙是一个温度高达万亿度的夸克和胶子汤。这些基本粒子以接近光速飞驰，形成了一种只持续了几百万分之一秒的“夸克-胶子等离子体”。随后，这种原初的黏稠物迅速冷却，其中的夸克和胶子彼此结合，形成了如今存在的质子、中子以及其他基本粒子。

瑞士欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机的物理学家正在重现夸克-胶子等离子体（QGP），以更好地理解宇宙最初的组成成分。通过让重离子以接近光速相互碰撞，科学家可以在极短时间内将夸克和胶子从束缚中击出，从而创造并研究这种存在于宇宙最初微秒中的物质。

如今，一个由麻省理工学院物理学家领导的 CERN 团队观察到了明确的迹象，表明夸克在等离子体中高速运动时会产生“尾迹”，就像鸭子游过水面时在身后留下的涟漪一样。这一发现首次直接证明，夸克-胶子等离子体会像单一流体那样对高速粒子作出反应，随着粒子的通过而晃动、飞溅，而不是像单个粒子那样随机散射。

“在我们这个领域里，关于等离子体是否会对夸克作出响应，长期以来一直存在争论，”麻省理工学院物理学教授李彦杰（Yen-Jie Lee）说。“现在我们看到，这种等离子体的密度极高，足以减慢夸克的速度，并像液体一样产生飞溅和旋涡。所以，夸克-胶子等离子体确实是一锅原初的汤。”

为了观察夸克的尾迹效应，李和他的同事开发了一种新的技术，并在研究中进行了报道。他们计划将这一方法应用到更多的粒子碰撞数据中，以锁定其他夸克尾迹。测量这些尾迹的大小、速度和范围，以及它们衰减和消散所需的时间，可以帮助科学家了解等离子体本身的性质，以及夸克-胶子等离子体在宇宙最初微秒中的行为方式。

“研究夸克尾迹如何来回反弹，将为我们提供关于夸克-胶子等离子体性质的新见解，”李说。“通过这项实验，我们正在为这锅原初的夸克汤拍下一张快照。”

该研究的合著者是 CMS 合作组的成员——这是一个由来自世界各地的粒子物理学家组成的团队，他们共同开展并分析紧凑型μ子螺线管（CMS）实验的数据。CMS 实验是 CERN 大型强子对撞机上的通用型粒子探测器之一，本研究正是利用该实验探测到了夸克尾迹效应的迹象。这项开放获取的研究发表在《Physics Letters B》期刊上。

夸克的阴影

夸克-胶子等离子体是宇宙中存在过的第一种液体。它也是有史以来最热的液体，科学家估计，在其短暂存在期间，QGP 的温度约为数万亿摄氏度。这种沸腾的混合物还被认为是一种近乎“完美”的液体，这意味着其中的夸克和胶子作为一个整体平滑、几乎无摩擦地流动。

这种关于 QGP 的图景基于大量独立的实验和理论模型。其中一个模型由麻省理工学院物理学教授、威廉·A·M·伯登讲席教授克里希纳·拉贾戈帕尔（Krishna Rajagopal）及其合作者提出，预测夸克-胶子等离子体应当像流体一样，对任何高速穿过其中的粒子作出响应。他的理论被称为“混合模型”，该模型表明，当一束夸克喷注在 QGP 中飞驰时，会在其身后产生尾迹，诱发等离子体产生涟漪和飞溅。

物理学家一直在大型强子对撞机及其他高能粒子加速器的实验中寻找这种尾迹效应。这些实验将诸如铅之类的重离子加速到接近光速，使其发生碰撞，从而产生一小滴短暂存在的原初汤，通常持续时间不到千万亿分之一秒。科学家本质上是在对这一瞬间进行“快照”，以识别 QGP 的特征。

为了识别夸克尾迹，物理学家一直在寻找夸克与“反夸克”的成对存在——反夸克与对应的夸克在本质上相同，只是某些性质在数值上相等但符号相反。例如，当一个夸克在等离子体中高速运动时，往往会有一个反夸克以完全相同的速度、但朝相反方向运动。

基于这一原因，物理学家在重离子碰撞产生的 QGP 中寻找夸克/反夸克对，假设这些粒子可能在等离子体中产生相同且可探测的尾迹。

“当产生两个夸克时，问题在于，当这两个夸克朝相反方向运动时，其中一个夸克会遮蔽另一个夸克的尾迹，”李说。

他和同事意识到，如果没有第二个夸克干扰，寻找第一个夸克的尾迹效应会更容易。

“我们找到了一个新技术，可以通过另一种粒子对，看到单个夸克在 QGP 中产生的效应，”李说。

尾迹标记

李的团队并未在铅离子碰撞的产物中寻找夸克和反夸克对，而是寻找只包含一个夸克在等离子体中运动的事件，该夸克与一个 “Z 玻色子”几乎背对背。Z 玻色子是一种中性、通过弱相互作用参与作用的基本粒子，几乎不会对周围环境产生影响。不过，由于它们具有非常特定的能量，Z 玻色子相对容易被探测到。

“在这锅夸克-胶子等离子体的汤中，有大量夸克和胶子不断经过并相互碰撞，”李解释说。“有时，当我们足够幸运时，其中一次碰撞会产生一个 Z 玻色子和一个具有高动量的夸克。”

在这种碰撞中，这两个粒子应当彼此对撞后，沿着完全相反的方向飞出。夸克可能会留下尾迹，而 Z 玻色子则不应对周围的等离子体产生任何影响。因此，在这滴原初汤中观察到的任何涟漪，都完全可以归因于那一个高速穿过等离子体的夸克。

该团队与范德堡大学陈毅（Yi Chen）教授的团队合作，推断可以利用 Z 玻色子作为一种“标记”，来定位并追踪单个夸克的尾迹效应。在这项新研究中，研究人员筛选了大型强子对撞机重离子碰撞实验的数据。在 130 亿次碰撞中，他们识别出了大约 2000 个产生 Z 玻色子的事件。对于每一个事件，他们都绘制了短暂存在的夸克-胶子等离子体中的能量分布，并在 Z 玻色子相反的方向上，一致地观察到了类似流体的飞溅和旋涡模式——也就是尾迹效应。研究团队能够将这些效应直接归因于单个夸克在等离子体中高速运动所产生的影响。

此外，物理学家还发现，他们在数据中观察到的尾迹效应与拉贾戈帕尔混合模型的预测相一致。换言之，当粒子高速穿过时，夸克-胶子等离子体确实会像流体一样流动并产生涟漪。

“这是我们许多人多年来一直认为必然存在的现象，也有许多实验曾试图寻找它，”并未直接参与这项新研究的拉贾戈帕尔说。

“彦杰和 CMS 所做的，是设计并完成了一项测量，使他们以及我们首次获得了这一基础性现象清晰、明确、毫无歧义的证据，”西班牙奥维耶多大学物理学教授、拉贾戈帕尔的合作者丹尼尔·帕布洛斯（Daniel Pablos）说，他同样未参与本研究。

“我们首次获得了直接证据，证明夸克在运动过程中确实会拖拽更多的等离子体，”李补充道。“这将使我们能够以前所未有的细节研究这种奇异流体的性质和行为。”

这项工作部分得到了美国能源部的资助。