在宇宙最初的時刻，溫度高達數兆度，形成了夸克和膠子的熾熱混合物。這些基本粒子以接近光速的速度運動，處於一種稱為夸克-膠子漿（QGP）的物質狀態。這種原始物質僅存在了數百萬分之一秒，隨後迅速冷卻，使夸克和膠子結合形成質子、中子以及今天遍布宇宙的其他粒子。
在瑞士歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）中，物理學家們正在重現夸克-膠子漿，以研究充斥年輕宇宙的成分。透過以接近光速的速度碰撞重離子，研究人員能夠短暫地分離夸克和膠子，並產生極少量的、與宇宙最初幾微秒時相同的物質。
夸克在原始漿中留下尾跡
一個由麻省理工學院（MIT）物理學家領導的CERN團隊，現已發現明確證據，表明夸克在通過這種漿體時會產生尾跡，就像鴨子在水中移動時會激起漣漪一樣。這些觀測提供了首個直接證據，證明夸克-膠子漿對快速移動的粒子反應如同統一的流體，產生波紋、飛濺和旋渦運動，而非僅僅表現為獨立散射粒子的集合。
「在我們的領域，關於漿體是否應該對夸克做出反應，長久以來一直存在爭議，」麻省理工學院物理學教授李彥杰（Yen-Jie Lee）說。「現在我們看到，這種漿體極其稠密，能夠減緩夸克的移動，並產生液體般的飛濺和旋渦。所以夸克-膠子漿確實是一種原始的湯。」
李教授和他的同事們開發了一種偵測這些夸克尾跡的新方法。他們計劃將這項技術應用於額外的粒子碰撞數據，以尋找更多案例並進行更詳細的研究。
透過測量尾跡的大小、傳播速度、延伸範圍以及消失所需的時間，科學家們或許能夠確定夸克-膠子漿的重要性質。這些測量也可能為了解漿體在宇宙誕生後最初幾微秒的行為提供線索。
「研究夸克尾跡如何來回反彈，將為我們提供關於夸克-膠子漿性質的新見解，」李教授說。「透過這次實驗，我們正在為這種原始的夸克湯拍攝快照。」
該研究的共同作者是CMS合作組織的成員，該組織是一個由粒子物理學家組成的全球性團體，他們利用CERN大型強子對撞機上的通用粒子探測器之一——緊湊碸子 શોધ（CMS）進行實驗和分析。研究人員在本研究中利用CMS實驗識別了夸克尾跡的跡象。這項開放取用的研究成果發表在《Physics Letters B》期刊上。
夸克-膠子漿被認為是宇宙中的第一種液體。它也是已知最熱的液體，在其短暫存在的期間，溫度達到數兆攝氏度。
科學家們也將QGP描述為一種近乎「完美」的液體。在此不尋常的狀態下，單獨的夸克和膠子似乎作為一種異常平滑、幾乎沒有摩擦力的流體一起移動。
這種理解來自於眾多實驗和理論研究。其中一個有影響力的模型是由麻省理工學院的William A. M. Burden物理學教授Krishna Rajagopal及其合作者開發的。該模型被稱為混合模型，它預測當高能粒子穿過時，夸克-膠子漿應該像流體一樣反應。
根據該模型，一個快速移動的夸克射流應該會擾亂周圍的漿體，並在其後留下尾跡，導致物質產生漣漪和飛濺。
物理學家們多年來一直在大型強子對撞機和其他高能粒子加速器上尋找這些尾跡的證據。在這些實驗中，鉛等重離子被加速到接近光速並相互撞擊。碰撞會短暫地產生原始物質的微小液滴，這些液滴通常存在不到百萬兆分之一秒。
研究人員必須有效地捕捉那個短暫時刻的快照，並利用由此產生的粒子模式來重建夸克-膠子漿的性質。
為何夸克尾跡難以看見
先前對夸克尾跡的搜尋，通常集中在由一個夸克和一個「反夸克」組成的對。反夸克是夸克的對應粒子，其某些性質具有相同的量級但符號相反。
當一個夸克快速穿過漿體時，可能會產生一個以相同速度反方向移動的反夸克。因此，科學家們尋找夸克和反夸克對，預期這兩種粒子都會在周圍漿體中產生可偵測的尾跡。
這種方法造成了一個主要問題。
「當產生兩個夸克時，問題在於，當兩個夸克朝相反方向移動時，一個夸克會掩蓋第二個夸克的尾跡，」李教授說。
李教授和他的同事們意識到，如果沒有第二個夸克產生重疊的擾動，單個夸克的尾跡會更容易識別。
「我們已經找到了一種新技術，可以透過另一對粒子來觀察QGP中單個夸克的效果，」李教授說。
研究人員沒有尋找鉛離子碰撞後的夸克-反夸克對，而是尋找一個夸克以幾乎相反的方向與「Z玻色子」一起移動的事件。
Z玻色子是一種與弱力相關的中性基本粒子。它與周圍的漿體相互作用極少，因此可用作乾淨的參考點。Z玻色子也以獨特的能量出現，這使得物理學家相對容易識別它們。
「在這個夸克-膠子漿的湯中，有許多夸克和膠子經過並相互碰撞，」李教授解釋道。「有時，當我們幸運時，其中一次碰撞會產生一個高動量的Z玻色子和一個夸克。」
當發生這種碰撞時，夸克和Z玻色子應該朝相反方向飛離。夸克可以擾亂漿體並產生尾跡，而Z玻色子應該會穿過而不會顯著影響周圍的物質。
這意味著，在夸克一側漿體中出現的任何漣漪都可以歸因於夸克本身。
研究人員與范德堡大學的Yi Chen教授團隊合作，意識到他們可以利用Z玻色子作為「標籤」，來定位和測量由單個夸克產生的尾跡。
在數十億次碰撞中發現尾跡
該團隊分析了來自大型強子對撞機重離子碰撞的數據。在130億次碰撞中，他們識別出了大約2,000個產生Z玻色子的事件。
對於每個事件，研究人員都繪製了能量在短暫存在的夸克-膠子漿中的分佈情況。他們在與Z玻色子相反的方向上，反覆發現了類似流體的飛濺和旋渦運動模式。
由於Z玻色子本身幾乎不與漿體相互作用，研究人員可以將這些尾跡模式直接歸因於穿過物質的單個夸克。
觀察到的尾跡也與Rajagopal的混合模型預測相符。結果表明，當高能粒子穿過時，夸克-膠子漿確實像液體一樣集體反應。
「這是我們許多人多年來一直認為必須存在，並且許多實驗一直在尋找的東西，」未直接參與新研究的Rajagopal說。
「我們獲得了第一個直接證據，表明夸克在移動時確實會拖曳更多的漿體，」李教授補充道。「這將使我們能夠以前所未有的細節研究這種奇異流體的性質和行為。」
