用更小的原子核，重现大爆炸后的原初物质

在宇宙诞生最初的时刻，究竟发生了什么？

为了解答这个问题，物理学家会试图让原子核以接近光速相撞，来重现宇宙早期曾经存在的一些极端条件。而这些碰撞的首要目标，就是重现并研究夸克-胶子等离子体（QGP）。

QGP是一种温度极高、密度极大的物质状态，被认为曾存在于大爆炸后的最初百万分之一秒。那时，宇宙的温度高到质子和中子都还没有形成；它们的组成成分——夸克和胶子——尚未被束缚在单个粒子内部，而是在炽热的QGP中运动。随着宇宙不断膨胀和冷却，夸克和胶子逐渐结合，才形成包括质子和中子在内的粒子。此后，质子和中子组成原子核，再与电子共同构成原子，最终形成了恒星、行星以及我们自身所组成的普通物质。

长期以来，物理学家投入了大量努力，以精确确定QGP的各种性质及其随时间的演化过程。在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，欧洲核子研究中心（CERN）的ALICE合作组表示，他们在理解这些极端条件方面又向前迈进了一步。

微型“大爆炸”

多年来，科学家一直认为，要产生大小只有飞米（10⁻¹⁵米）级的QGP微滴，就需要让铅-铅（Pb–Pb）这样的重原子核发生高能碰撞。

但在新的研究中，研究人员发现，用轻得多的氧-16（¹⁶O）和氖-20（²⁰Ne）原子核进行¹⁶O-¹⁶O和²⁰Ne-²⁰Ne碰撞，也能产生这种原初物质。某种意义上，这就像是在实验室中制造了一场微型“大爆炸”：在这样的高能核碰撞中，会形成一小滴QGP，而它只能存在极其短暂的一瞬间。随后，这滴温度极高的物质会迅速膨胀。研究人员无法直接观测这种等离子体，但可以测量它在短时间后转化形成的粒子。

CERN的大型强子对撞机（LHC）中的Ne-Ne和O-O碰撞事件。（图/ALICE）

研究人员虽然无法直接看到QGP本身，却可以通过这些最终产生的粒子来追溯它此前的状态。研究发现，这些粒子的运动模式能够反映碰撞开始时原子核的几何形状：氧核的形状更接近球形，因此氧-氧碰撞产生的流动模式也更加接近圆形；相比之下，氖核具有更明显的形变，近似于一个“保龄球瓶”，这种几何差异同样会反映在碰撞后粒子的运动中。

这就像通过一个物体投下的影子来判断它的形状。研究人员无法直接看到碰撞最初瞬间的原子核和QGP，但可以根据最终粒子的运动模式，反推出碰撞开始时原子核的几何结构。因此，这类高能碰撞不仅可以用来研究QGP，也提供了一种研究原子核结构的新方法。

从碰撞中读取原子核的形状

原子核的形状和结构问题，已经吸引物理学家研究了70多年。它并不仅仅是一个几何问题：原子核的形状反映了质子和中子在其中的组织方式，也蕴含着关于强相互作用的重要信息。作为自然界四种基本相互作用之一，强相互作用至今仍有许多性质有待深入理解，而精确掌握核结构正是理解它的重要途径。

过去，核结构研究主要在低能条件下进行，例如通过观察原子核的转动和振动来推断其内部结构。这项研究则采用了几乎相反的思路：不是在低能状态下温和地“观察”原子核，而是让它们以极高能量相撞，再从碰撞后粒子的运动中读取原子核最初留下的几何“印记”。

研究人员认为，这种方法的潜力可能带来一次范式转变。如果这种方法能够进一步发展，它将有望为研究那些结构尚未被充分理解的原子核提供一条新的途径。

QGP的边界在哪里？

这项研究进一步推进了一个关键边界：发生碰撞的原子核究竟可以小到什么程度，仍然能够形成QGP。氧-16和氖-20碰撞的结果表明，即使原子核比传统重离子小得多，也依然可以产生这种极端物质状态。这不仅帮助研究人员更接近理解QGP形成所需的基本条件，也为重建宇宙诞生最初时刻的物质状态提供了新的线索。

不过，这条边界究竟在哪里，目前仍然没有答案。下一步，研究团队计划使用质量更小的原子核继续实验，例如氦-4，进一步探究当碰撞体系持续缩小时，QGP是否仍然能够形成，以及这种集体流动会在什么尺度上消失。

这项工作的意义也不只在于寻找QGP形成的极限。通过同一类高能核碰撞，人们一方面可以研究原子核本身的形状和内部结构，另一方面也可以探索早期宇宙中极端物质的性质。原本看似相距甚远的两个问题——原子核是如何构成的，以及宇宙最初的物质如何演化——正在同一套实验中汇合到一起。

#参考来源：

https://news.ku.dk/all_news/2026/08/researchers-create-a-little-big-bang-bowling-pin-shaped-nuclei-shed-new-light-on-the-universes-first-moments/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gymp-vp87

#图片来源：

ALICE/CERN