宇宙大爆炸后极短的时间内，物质处于致密而又炽热的“夸克-胶子等离子体”状态。通过高能重离子对撞实验，人们可以在实验室中制备这种物质状态，从而定量地研究其性质及演化过程。这也将有助于我们窥探宇宙诞生后最初一秒内的模样。
撰文 杜立配
编辑 魏潇 金庄维
约 138 亿年前，宇宙起源于一个极为致密、炽热的奇点，也即人们常说的“宇宙大爆炸”。在宇宙诞生之初的极短时间内，它的密度和温度都非常高，因此所有的物质都处于电离状态；我们今天常说的质子和中子在那时都以其组成成分，也即更基本的粒子——夸克和胶子的形式存在，它们组成的致密的“粒子汤”被称为“夸克-胶子等离子体”（Quark-Gluon-Plasma, QGP）。
当今天体物理学家们可以通过观测宇宙微波背景辐射带我们回窥宇宙诞生 38 万年以后的状态，而粒子物理学家与核物理学家们则可以通过高能重离子-重离子或质子-重离子对撞实验重新产生夸克-胶子等离子体，从而带我们窥探宇宙诞生数微秒后的样子。在这类实验中，常用来对撞的重离子包括铅原子核、金原子核以及铜原子核等，实验家们将这些粒子加速到接近光速并使其相互碰撞，产生的温度可以超过 2×1012 ℃，这大约是太阳中心温度的 10 万倍。在这种环境下，质子和中子便“熔化”成夸克-胶子等离子体。由于这也是宇宙大爆炸发生约 10 微秒后的状态，因此，我们还可以从中窥探宇宙早期的性质。
从欧洲核子中心于 2000 年宣称其下属的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron, SPS）制备出夸克-胶子等离子体至今，我们已走过了近 20 年的历程。在这期间，位于美国纽约布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）以及位于欧洲核子中心的大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）开展了进一步的高能对撞实验，科学家们惊讶地发现这种物质处于近乎完美的液体状态。而在对撞实验中产生的这种接近完美液体的夸克-胶子等离子体也会进行类似于宇宙膨胀的过程，并在膨胀过程中迅速冷却，从而夸克被胶子束缚在一起形成大量粒子，最后被探测器捕获。实验家们通过数据分析可以获得这些粒子的分布，其中便蕴含着对撞的质子以及重离子内部结构的信息。
今年 8 月，来自布鲁克海文国家实验室的 Heikki Mäntysaari 等理论家们在发表于 Phys.Lett. B 的文章【参考文献 2】中，通过研究质子与重离子的对撞过程加深了我们对质子内部结构以及夸克-胶子等离子体性质的认识。
Mäntysaari 他们发现，为了从理论上正确地解释这些实验数据，质子内部结构的涨落（Fluctuation）至关重要：三个夸克在质子中的位置可以不断变化，它们也不断地发射出会迅速产生、湮灭的胶子，这些胶子如同云一般围绕在三个夸克周围，且胶子的疏密也会不断变化。在 2016 年，他们已经通过分析深度非弹性散射实验（Deep Inelastic Scattering, DIS）中的非相干衍射过程（Incoherent Diffraction）研究了质子内部结构的涨落，并发现这种涨落对解释非相干衍射过程的实验数据也同样重要【参考文献 3、5】。在这类过程中，高能质子与高能电子或正电子对撞而被击碎，生成的新粒子的分布会强烈依赖于质子内部结构的涨落行为。也正因为这些涨落行为，质子可以具有非常不同的形态。
未来 10 年内，美国正在规划中的高精度粒子加速器——电子-离子对撞机（Electron-IonCollider, EIC）将进行电子与质子或重核的对撞实验，并对非相干衍射过程进行观测。那时，研究人员便可以直接地对质子内部结构的涨落进行研究，从而更好地研究夸克-胶子等离子体的演化性质，也可以进一步加深我们对早期宇宙的认识。此外，对夸克-胶子等离子体的研究也有助于我们对量子色动力学相结构与夸克物质的了解；相对论离子碰撞也是研究强相互作用的重要途径，也是寻找反物质原子核和奇异强子的理想场所，与粒子物理、致密星体等等研究方向也紧密关联。
我国的科研人员也积极参与了相对论重离子碰撞及夸克-胶子等离子体等相关领域的研究。在实验方面，中国高能核物理队伍已通过国际合作积极参与了欧洲 LHC 以及美国 RHIC 的各项工作并取得了重要成果。例如，2010 年，位于 RHIC 的 STAR 合作组宣布探测到首个反物质超核，其中我国的研究人员作出了杰出贡献，该项发现也被评为 2010 年度“中国科学十大进展”。在理论方面，我国的科学家也一直活跃在最前沿。比如，由我国科学家提出的夸克-胶子等离子体“整体极化”（Global Polarization）理论也被 RHIC 的 STAR 合作组验证，并作为封面文章发表在今年 8 月 3 日出版的《自然》杂志上。
参考文献
1) Probing subnucleon scale fluctuations in ultraperipheral heavy ion collisions, Heikki Mäntysaari and Björn Schenke, Phys. Lett. B 772 (2017) 832-838.
2) Imprints of fluctuating proton shapes on flow in proton-lead collisions at the LHC, Heikki Mäntysaari, Björn Schenke, Chun Shen and Prithwish Tribedy, Phys.Lett. B 772 (2017) 681-686.
3) Evidence of Strong Proton Shape Fluctuations from Incoherent Diffraction, Heikki Mäntysaari and Björn Schenke, Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 052301.
4) Of Gluons and Fireflies, Tobias Toll, 10.1103/Physics.9.82.
5) Revealing proton shape fluctuations with incoherent diffraction at high energy, Heikki Mäntysaari and Björn Schenke, Phys. Rev. D 94 034042 (2016).
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