我們在實驗室模擬“宇宙大爆炸”，發現了藏有秘密的“宇宙指紋”_風聞

近日，中國科學院近代物理研究所團隊通過分析重離子碰撞後產生的粒子“指紋”，提出了一種可能揭示夸克膠子湯（QGP）出現的關鍵指標，為探索宇宙早期物質形態演變提供了新視角。

撰文 | 雍高產（中國科學院近代物理研究所）

當我們仰望星空時，看到的每顆星星都在講述一個跨越138億年的故事。這個故事的開端，要從宇宙最原初的“食材”開始講起——那些比原子還要微小的基本粒子，如何在時間的長河中一步步形成了我們腳下的地球。

宇宙演化示意圖（圖片來源：參考文獻[1]）

宇宙誕生之初：輕元素形成

如果把宇宙誕生比作嬰兒的第一次呼吸，那麼前百萬分之一秒發生的故事，就決定了這個嬰兒未來的所有可能。在這個瞬間，整個宇宙的温度高達千萬億度，所有物質都處於沸騰的“粒子湯”狀態。

在這鍋原始熱湯裏，最基礎的成分叫做夸克。它們像一羣活潑的孩童，在高温中自由穿梭、碰撞。

但隨着宇宙以驚人的速度膨脹降温，當温度降到約2萬億度時（相當於太陽核心温度的10萬倍），神奇的變化發生了——原本自由自在的夸克突然開始“手拉手”，三個一組，組成了宇宙中第一批穩定的物質單元：質子和中子。這個過程被稱作夸克-強子相變，就像水蒸氣凝結成水滴，它標誌着宇宙開始從混沌走向有序。如果當初夸克沒有成功組成質子和中子，整個宇宙至今都只會是一鍋飄着自由夸克的“粒子清湯”。

夸克-強子轉化示意圖丨圖片來源：美國阿貢國家實驗室

當宇宙年齡來到3分鐘時，温度降到10億度左右，此時的宇宙就像一個巨大的核反應爐。那些在夸克相變中形成的質子和中子，終於可以穩定地結合成原子核了。最初形成的元素非常簡單：氫原子核（單個質子）佔76%，氦原子核（兩個質子加兩個中子）佔24%，還有極微量的鋰。這個過程被稱為原初核合成，它決定了當前宇宙中90%的氫和氦。

如果當年夸克們沒有及時完成組隊，質子和中子的數量比例就會失衡。正是夸克相變時的微妙平衡，使得中子比例剛好能支撐後續的元素形成。宇宙就像掌握着精確的配方比例，多一點或者少一點都會讓其失去製造複雜元素的可能。

重元素形成：兩代恆星的出現

接下來的數億年，宇宙經歷着漫長的黑暗時代。直到第一批恆星點燃核聚變的火焰，才拉開了宇宙演化最璀璨的篇章。這些初代恆星與現代恆星截然不同，它們質量極大（可達太陽的數百倍）、壽命短暫（僅數百萬年）。它們的誕生，正是夸克相變帶來的結果——由質子和中子構成的氫和氦在引力作用下聚集成雲，當核心温度達到1000萬度時，氫和氦開始融合成更重的原子核，釋放出照亮宇宙的第一縷星光。

在這個過程中，恆星內部就像個精密的元素工廠：較輕的原子核不斷碰撞融合，產生更重的元素。但受限於初始物質構成，初代恆星最多隻能製造到鐵元素。直到它們以超新星爆發（指某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸）的形式結束生命，才將新元素播撒到星際空間。

超新星爆炸丨圖片來源：Veer圖庫

第二代恆星的故事更加精彩。它們誕生於初代恆星的餘燼之中，攜帶着碳、氧、硅等重元素。太陽就是這樣的“星二代”，它體內含有1.4%的重元素，看似佔比微小的重元素卻為行星系統的形成創造了關鍵條件。

重元素的出現徹底改變了宇宙演化的進程：硅、鐵等元素能形成固態塵埃顆粒；碳、氧等元素構成複雜的分子云。當這些“建築材料”在引力作用下聚集時，逐漸形成的不再是單純的巨大氣態球體，而是岩石質行星的雛形。值得注意的是，金、鈾等超重元素的形成需要更極端的條件，它們誕生於中子星碰撞這樣的宇宙級事件中，通過“快中子捕獲”過程生成。

“快中子捕獲”就像宇宙版的“吃豆子大賽”——當中子星碰撞或超新星爆炸時，高温高壓的環境會逼着原子核瘋狂吞中子，速度快到連“消化”（衰變）都來不及，就像邊狂奔邊往嘴裏猛塞糖豆！最後這些被硬塞進去的中子太多，原子核“撐到變形”，逐漸變成金、銀、鉑這些重金屬元素。所以你戴的金項鍊或戒指，很可能就是幾十億年前某顆星星爆炸時，用這種“暴風吸入”的方式製造出來的！

2017年，人類首次捕捉到中子星碰撞時發出的引力波信號，見證了這種“宇宙鍊金術”的現場。

元素週期表與元素起源丨圖片來源：abc網

“配方獨特”的地球：如何揭秘宇宙的精妙發展？

太陽系誕生於46億年前的一片分子云中，這片雲已經積累了前幾代恆星創造的各種元素。但地球的“形成配方”尤為特殊：鐵鎳核心佔32%，硅酸鹽地幔佔67%，剩下1%包含從碳到鈾的各類元素。

這種元素配比的形成可以追溯到太陽系誕生時的温度梯度：靠近太陽的區域温度太高，揮發性元素被吹向外圍，留下的主要是耐高温的金屬和硅酸鹽。更關鍵的是，夸克相變時期奠定下物質基礎，使得宇宙中存在足夠多的重元素來構成岩石行星。地球的特別之處還在於它保留了液態水，為生命的孕育提供了非常重要的條件。

從夸克相變到地球誕生，每個環節都像是精心設計的連鎖反應。如果當初夸克們沒有及時組成質子中子，如果初代恆星未能合成足夠多的碳氧元素，如果太陽系形成時重元素比例稍有不同……只要有一個環節改變，今天的地球都可能不復存在。

地球丨圖片來源：Veer圖庫

當我們看到黃金在陽光下閃耀，觸摸花崗岩的粗糙表面，甚至感受血液中鐵元素的流動，其實都是在接觸跨越億萬年時空的宇宙遺產。那些曾經在恆星核心舞蹈的粒子，最終組成了山川湖海，也組成了我們每個人。

總之，對宇宙物質演化過程的探索，要求我們對一個關鍵的物理轉變過程展開深入研究——夸克與強子之間的轉變。這個轉變發生的具體條件（包括能量密度和温度等參數）深刻影響着宇宙的演化軌跡：它不僅決定着早期宇宙中核聚變的發生方式，還調控着輕元素的最初形成過程；既深刻影響恆星的生命週期和超新星爆發機制，又最終決定了重元素在宇宙中的分佈格局，直至間接影響着地球人類文明的物質基礎。

科學家們正在實驗室模擬一場場“微型宇宙大爆炸”

要理解這個將無形物質轉化為可見世界的關鍵轉變，我們需要在實驗室中重現宇宙大爆炸後的極端環境。通過大型重離子對撞裝置，科學家讓原子核以接近光速相互碰撞。這種高能碰撞能夠在微觀尺度上覆現宇宙誕生早期的物質狀態，使我們理解夸克如何組合成強子、物質如何從混沌無序的狀態演變為有序結構的過程。這種實驗就像一台“宇宙顯微鏡”，幫助我們破解138億年來物質演化的核心密碼。

核-核碰撞產生“夸克膠子湯”（QGP）示意圖丨圖片來源：Brookhaven National Laboratory

想象一下，用兩台超高速攝像機拍攝兩輛迎面對撞的玩具車：一台只能拍到零件四濺的畫面（純強子過程），另一台卻能拍到零件先融化成液態金屬再重新凝固的過程（夸克-強子相變）。科學家們用粒子加速器將金原子核加速到接近光速，讓它們迎面相撞。這場微觀世界的“車禍”瞬間釋放的能量，足以讓原子核內的物質迴歸到宇宙大爆炸前百萬分之一秒時的狀態——“夸克膠子湯”（QGP）。通過對比不同重量原子核的碰撞結果，科學家就能判斷實驗中是否出現了“融化-凝固”過程。

目前，全球有多個大型實驗裝置（如美國RHIC-STAR對撞機、中國HIAF-CEE外靶實驗等）可將重離子加速至接近光速並碰撞，瞬間產生QGP。通過分析碰撞後粒子的分佈、漲落和關聯，科學家正在尋找QCD相變的證據。例如，RHIC實驗觀測到淨質子數的高階漲落隨碰撞能量呈現非單調變化，暗示系統可能穿過了相變區域。目前，實驗仍需克服統計誤差大、非臨界效應干擾等挑戰。國際合作項目（如德國FAIR、俄羅斯NICA等）也將進一步探索高密度核物質的相變機制。

通過分析粒子“指紋”，助力破解宇宙演化之謎

近期，我們團隊（中國科學院近代物理研究所雍高產研究員團隊）在《物理快報B》（Physics Letters B）上發表了一項研究，通過分析重離子碰撞後產生的粒子“指紋”，提出了一種可能揭示QGP出現的關鍵指標，為探索宇宙誕生之初的物質形態演變提供了新視角。

通過對不同質量原子核的碰撞模擬進行分析，研究人員發現重輕反應系統同類粒子發射比可作為揭示QGP出現的關鍵指標。如同指紋能識別身份，不同粒子在碰撞中的產出比例藴含着重要信息。我們團隊使用改進的多相模型（一種同時包含夸克和強子物質的輸運模型），利用計算機模擬了鈣-40、鈣-48和金-197等不同重離子的劇烈對撞過程，重點關注Λ超子、K+介子、π介子和質子等四種粒子的產生規律。當碰撞系統從較輕的鈣-40升級到較重的金-197時，我們發現某些特定粒子的產額比例出現了異常變化。

進一步研究發現，在包含夸克自由度的碰撞模式中，粒子產額與參與碰撞的核子數基本成正比；而在僅考慮強子作用的碰撞模式中，重系統產生的粒子數量顯著超出預期。這暗示着某種新的物理機制在起作用。研究表明，當QGP形成時，夸克和膠子的自由流動抑制了強子間的多重散射，導致粒子產額明顯低於純強子模型的預期；反之，若未出現QGP，強子間的持續碰撞會顯著增加粒子產額。

為了驗證這一假設，我們引入了PACIAE模型（一種主要包含夸克物質的輸運模型）進行交叉驗證，進一步證實了粒子產額異常與夸克物質形成的關聯性。模擬結果顯示，夸克再散射對粒子產額的影響微乎其微，而強子再散射則顯著增加粒子產額。

我們提出的新型探針能有效降低系統誤差及各種模型不確定性，顯著提高探測靈敏度與可靠性，為繪製完整的QCD相圖提供了重要線索。

QCD相圖就像一張宇宙的“物質狀態地圖”——它用温度和密度當座標軸，標記出構成物質的夸克在不同環境下會如何“變身”。比如常温下，夸克被“膠子”死死粘在質子和中子裏（就像冰塊裏的水分子）；但如果你把温度飆升到太陽核心的10萬倍，或者壓成中子星內部的高密度，夸克就會掙脱束縛，變成一鍋沸騰的“夸克膠子湯”。科學家研究這張圖，就是為了搞懂宇宙大爆炸最初的瞬間，或者中子星內部的極端世界到底藏着什麼秘密！

這一工作不僅深化了對高密核物質狀態的理解，也為揭示宇宙早期演化之謎提供了新的實驗思路。

參考文獻

[1]Denis Perret-Gallix 2013 J. Phys.: Conf. Ser. 454 012051

[2]Xun Zhu, Gao-Chan Yong,Exploring hadron-quark phase transition in heavy-ion collisions using particle emission ratios in heavy and light reaction systems,Phys. Lett. B 865 (2025) 139454.

[3]LUO Xiao-Feng, LIU Feng, XU Nu. Quark soup cooking at trillions of degrees: experimental study on the phase structure of nuclear matter and the quantum chromodynamics critical point[J]. PHYSICS, 2021, 50(2): 98-107. DOI: 10.7693/wl20210205

出品：科普中國

作者：雍高產（中國科學院近代物理研究所）

監製：中國科普博覽

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