如何在地球上重現宇宙大爆炸後的物質

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機通常對質子進行對撞。正是這些質子-質子的碰撞導致了2012年希格斯玻色子的發現。這個世界上最大的加速器也用來粉碎重離子，主要是鉛原子的原子核。

為什麼要這樣做呢？首先，大型強子對撞機的重離子碰撞在實驗室條件下重現了夸克和膠子的等離子體，它們被認為是在宇宙大爆炸後不久就存在的東西。其次，在最高的人造溫度和密度下，這種碰撞可以用來測試和研究量子色動力學的基本理論。

大型強子對撞機並不是第一個重現大爆炸物質的機器，早在2000年，歐洲核子研究中心的超級質子同步加速器就發現了夸克-膠子等離子體存在的有力證據。大約五年後，在美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機上進行的實驗開啟了對夸克-膠子等離子體進行詳細研究的時代。

然而，自從大型強子對撞機實現了更高能量的碰撞後，它將夸克-膠子等離子體的研究提升到了令人難以置信的新高度。通過產生更熱、密度更大、壽命更長的夸克-膠子等離子體，以及更多種類的粒子來探測其特性和效應，物理學家能夠以前所未有的詳細程度進行研究。

重核碰撞的過程

在大型強子對撞機中，當重核相互碰撞時，數百個組成原子核的質子和中子釋放出很大一部分能量，形成一個由夸克和膠子組成的「火球」。這些微小的夸克-膠子等離子體只存在於短暫的時刻，單個的夸克和膠子會迅速形成向四面八方飛來的複合粒子和反粒子。然而，等離子體不能直接觀察到，它的存在和性質是由它在碰撞產生的粒子上留下的實驗特徵以及它們與理論模型的比較得出的。

這種研究可以分為兩種截然不同的類別。第一類研究調查了從重離子碰撞中產生的數千個粒子，提供了夸克-膠子等離子體整體宏觀性質的信息。第二類關注的是各種具有大質量或大動量的粒子，它們產生的頻率較低，為人們了解介質內部的微觀工作提供了一個窗口。