【导语】近日，中国科学院近代物理研究所团队在探索宇宙早期物质形态方面取得了新突破。他们通过分析重离子碰撞后的粒子“指纹”，提出了一项揭示夸克胶子汤（QGP）出现的关键指标，为理解宇宙诞生之初的物质演变提供了全新视角。这一发现不仅深化了我们对高密核物质状态的认识，更为揭开宇宙早期演化之谜带来了新的实验思路。

近日，中国科学院近代物理研究所团队通过分析重离子碰撞后产生的粒子“指纹”，提出了一种可能揭示夸克胶子汤（QGP）出现的关键指标，为探索宇宙早期物质形态演变提供了新视角。

撰文 | 雍高产（中国科学院近代物理研究所）

当我们仰望星空时，看到的每颗星星都在讲述一个跨越138亿年的故事。这个故事的开端，要从宇宙最原初的“食材”开始讲起——那些比原子还要微小的基本粒子，如何在时间的长河中一步步形成了我们脚下的地球。

宇宙演化示意图（图片来源：参考文献[1]）

宇宙诞生之初：轻元素形成

如果把宇宙诞生比作婴儿的第一次呼吸，那么前百万分之一秒发生的故事，就决定了这个婴儿未来的所有可能。在这个瞬间，整个宇宙的温度高达千万亿度，所有物质都处于沸腾的“粒子汤”状态。

在这锅原始热汤里，最基础的成分叫做夸克。它们像一群活泼的孩童，在高温中自由穿梭、碰撞。

但随着宇宙以惊人的速度膨胀降温，当温度降到约2万亿度时（相当于太阳核心温度的10万倍），神奇的变化发生了——原本自由自在的夸克突然开始“手拉手”，三个一组，组成了宇宙中第一批稳定的物质单元：质子和中子。这个过程被称作夸克-强子(zi)相(xiāng)变(biàn)，就(jiù)像(xiàng)水(shuǐ)蒸(zhēng)气(qì)凝(níng)结(jié)成(chéng)水(shuǐ)滴(dī)，它(tā)标(biāo)志(zhì)着(zhe)宇(yǔ)宙(zhòu)开(kāi)始(shǐ)从(cóng)混(hùn)沌(dùn)走(zǒu)向(xiàng)有(yǒu)序(xù)。如(rú)果(guǒ)当(dāng)初(chū)夸(kuā)克(kè)没(méi)有(yǒu)成(chéng)功(gōng)组(zǔ)成(chéng)质(zhì)子(zi)和(hé)中(zhōng)子(zi)，整(zhěng)个(gè)宇(yǔ)宙(zhòu)至(zhì)今(jīn)都(dōu)只(zhǐ)会(huì)是(shì)一(yī)锅(guō)飘(piāo)着(zhe)自(zì)由(yóu)夸(kuā)克(kè)的(de)“粒(lì)子(zi)清(qīng)汤(tāng)”。

夸(kuā)克-强子转化示意图丨图片来源：美国阿贡国家实验室

当宇宙年龄来到3分钟时，温度降到10亿度左右，此时的宇宙就像一个巨大的核反应炉。那些在夸克相变中形成的质子和中子，终于可以稳定地结合成原子核了。最初形成的元素非常简单：氢原子核（单个质子）占76%，氦原子核（两个质子加两个中子）占24%，还有极微量的锂。这个过程被称为原初核合成，它决定了当前宇宙中90%的氢和氦。

如果当年夸克们没有及时完成组队，质子和中子的数量比例就会失衡。正是夸克相变时的微妙平衡，使得中子比例刚好能支撑后续的元素形成。宇宙就像掌握着精确的配方比例，多一点或者少一点都会让其失去制造复杂元素的可能。

重元素形成：两代恒星的出现

接下来的数亿年，宇宙经历着漫长的黑暗时代。直到第一批恒星点燃核聚变的火焰，才拉开了宇宙演化最璀璨的篇章。这些初代恒星与现代恒星截然不同，它们质量极大（可达太阳的数百倍）、寿命短暂（仅数百万年）。它们的诞生，正是夸克相变带来的结果——由质子和中子构成的氢和氦在引力作用下聚集成云，当核心温度达到1000万度时，氢和氦开始融合成更重的原子核，释放出照亮宇宙的第一缕星光。

在这个过程中，恒星内部就像个精密的元素工厂：较轻的原子核不断碰撞融合，产生更重的元素。但受限于初始物质构成，初代恒星最多只能制造到铁元素。直到它们以超新星爆发（指某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸）的形式结束生命，才将新元素播撒到星际空间。

超新星爆炸丨图片来源：Veer图库

第二代恒星的故事更加精彩。它们诞生于初代恒星的余烬之中，携带着碳、氧、硅等重元素。太阳就是这样的“星二代”，它体内含有1.4%的重元素，看似占比微小的重元素却为行星系统的形成创造了关键条件。

重元素的出现彻底改变了宇宙演化的进程：硅、铁等元素能形成固态尘埃颗粒；碳、氧等元素构成复杂的分子云。当这些“建筑材料”在引力作用下聚集时，逐渐形成的不再是单纯的巨大气态球体，而是岩石质行星的雏形。值得注意的是，金、铀等超重元素的形成需要更极端的条件，它们诞生于中子星碰撞这样的宇宙级事件中，通过“快中子捕获”过程生成。

“快中子捕获”就像宇宙版的“吃豆子大赛”——当中子星碰撞或超新星爆炸时，高温高压的环境会逼着原子核疯狂吞中子，速度快到连“消化”（衰变）都来不及，就像边狂奔边往嘴里猛塞糖豆！最后这些被硬塞进去的中子太多，原子核“撑到变形”，逐渐变成金、银、铂这些重金属元素。所以你戴的金项链或戒指，很可能就是几十亿年前某颗星星爆炸时，用这种“暴风吸入”的方式制造出来的！

2017年，人类首次捕捉到中子星碰撞时发出的引力波信号，见证了这种“宇宙炼金术”的现场。

元素周期表与元素起源丨图片来源：abc网

“配方独特”的地球：如何揭秘宇宙的精妙发展？

太阳系诞生于46亿年前的一片分子云中，这片云已经积累了前几代恒星创造的各种元素。但地球的“形成配方”尤为特殊：铁镍核心占32%，硅酸盐地幔占67%，剩下1%包含从碳到铀的各类元素。

这种元素配比的形成可以追溯到太阳系诞生时的温度梯度：靠近太阳的区域温度太高，挥发性元素被(bèi)吹(chuī)向(xiàng)外(wài)围(wéi)，留(liú)下(xià)的主要是耐高温的金属和硅酸盐。更关键的是，夸克相变时期奠定下物质基础，使得宇宙中存在足够多的重元素来构成岩石行星。地球的特别之处还在于它保留了液态水，为生命的孕育提供了非常重要的条件。

从夸克相变到地球诞生，每个环节都像是精心设计的连锁反应。如果当初夸克们没有及时组成质子中子，如果初代恒星未能合成足够多的碳氧元素，如果太阳系形成时重元素比例稍有不同......只要有一个环节改变，今天的地球都可能不复存在。

地球丨图片来源：Veer图库

当我们看到黄金在阳光下闪耀，触摸花岗岩的粗糙表面，甚至感受血液中铁元素的流动，其实都是在接触跨越亿万年时空的宇宙遗产。那些曾经在恒星核心舞蹈的粒子，最终组成了山川湖海，也组成了我们每个人。

总之，对宇宙物质演化过程的探索，要求我们对一个关键的物理转变过程展开深入研究——夸克与强子之间的转变。这个转变发生的具体条件（包括能量密度和温度等参数）深刻影响着宇宙的演化轨迹：它不仅决定着早期宇宙中核聚变的发生方式，还调控着轻元素的最初形成过程；既深刻影响恒星的生命周期和超新星爆发机制，又最终决定了重元素在宇宙中的分布格局，直至间接影响着地球人类文明的物质基础。

科学家们正在实验室模拟一场场“微型宇宙大爆炸”

要理解这个将无形物质转化为可见世界的关键转变，我们需要在实验室中重现宇宙大爆炸后的极端环境。通过大型重离子对撞装置，科学家让原子核以接近光速相互碰撞。这种高能碰撞能够在微观尺度上复现宇宙诞生早期的物质状态，使我们理解夸克如何组合成强子、物质如何从混沌无序的状态演变为有序结构的过程。这种实验就像一台“宇宙显微镜”，帮助我们破解138亿年来物质演化的核心密码。

核-核碰撞产生“夸克胶子汤”（QGP）示意图丨图片来源：Brookhaven National Laboratory

想象一下，用两台超高速摄像机拍摄两辆迎面对撞的玩具车：一台只能拍到零件四溅的画面（纯强子过程），另一台却能拍到零件先融化成液态金属再重新凝固的过程（夸克-强子相变）。科学家们用粒子加速器将金原子核加速到接近光速，让它们迎面相撞。这场微观世界的“车祸”瞬间释放的能量，足以让原子核内的物质回归到宇宙大爆炸前百万分之一秒时的状态——“夸克胶子汤”（QGP）。通过对比不同重量原子核的碰撞结果，科学家就能判断实验中是否出现了“融化-凝固”过程。

目前，全球有多个大型实验装置（如美国RHIC-STAR对撞机、中国HIAF-CEE外靶实验等）可将重离子加速至接近光速并碰撞，瞬间产生QGP。通过分析碰撞后粒子的分布、涨落和关联，科学家正在寻找QCD相变的证据。例如，RHIC实验观测到净质子数的高阶涨落随碰撞能量呈现非单调变化，暗示系统可能穿过了相变区域。目前，实验仍需克服统计误差大、非临界效应干扰等挑战。国际合作项目（如德国FAIR、俄罗斯NICA等）也将进一步探索高密度核物质的相变机制。

通过分析粒子“指纹”，助力破解宇宙演化之谜

近期，我们团队（中国科学院近代物理研究所雍高产研究员团队）在《物理快报B》（Physics Letters B）上发表了一项研究，通过分析重离子碰撞后产生的粒子“指纹”，提出了一种可能揭示QGP出现的关键指标，为探索宇宙诞生之初的物质形态演变提供了新视角。

通过对不同质量原子核的碰撞模拟进(jìn)行(xíng)分(fēn)析(xī)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)发(fā)现(xiàn)重(zhòng)轻(qīng)反(fǎn)应(yīng)系(xì)统(tǒng)同(tóng)类(lèi)粒(lì)子(zi)发(fā)射(shè)比(bǐ)可(kě)作(zuò)为(wèi)揭(jiē)示(shì)QGP出(chū)现(xiàn)的(de)关键指(zhǐ)标(biāo)。如(rú)同(tóng)指(zhǐ)纹(wén)能(néng)识(shi)别(bié)身(shēn)份(fèn)，不(bù)同(tóng)粒(lì)子(zi)在(zài)碰(pèng)撞(zhuàng)中(zhōng)的(de)产(chǎn)出(chū)比(bǐ)例(lì)蕴(yùn)含(hán)着(zhe)重(zhòng)要(yào)信(xìn)息。我们团队使用改进的多相模型（一种同时包含夸克和强子物质的输运模型），利用计算机模拟了钙-40、钙-48和金-197等不同重离子的剧烈对撞过程，重点关注Λ超子、K+介子、π介子和质子等四种粒子的产生规律。当碰撞系统从较轻的钙-40升级到较重的金-197时，我们发现某些特定粒子的产额比例出现了异常变化。

进一步研究发现，在包含夸克自由度的碰撞模式中，粒子产额与参与碰撞的核子数基本成正比；而在仅考虑强子作用的碰撞模式中，重系统产生的粒子数量显著超出预期。这暗示着某种新的物理机制在起作用。研究表明，当QGP形成时，夸克和胶子的自由流动抑制了强子间的多重散射，导致粒子产额明显低于纯强子模型的预期；反之，若未出现QGP，强子间的持续碰撞会显著增加粒子产额。

为了验证这一假设，我们引入了PACIAE模型（一种主要包含夸克物质的输运模型）进行交叉验证，进一步证实了粒子产额异常与夸克物质形成的关联性。模拟结果显示，夸克再散射对粒子产额的影响微乎其微，而强子再散射则显著增加粒子产额。

我们提出的新型探针能有效降低系统误差及各种模型不确定性，显著提高探测灵敏度与可靠性，为绘制完整的QCD相图提供了重要线索。

QCD相图就像一张宇宙的“物质状态地图”——它用温度和密度当坐标轴，标记出构(gòu)成(chéng)物质的夸克(kè)在(zài)不(bù)同环境下会如何“变身(shēn)”。比(bǐ)如(rú)常(cháng)温(wēn)下(xià)，夸(kuā)克(kè)被(bèi)“胶(jiāo)子(zi)”死(sǐ)死(sǐ)粘(zhān)在(zài)质(zhì)子(zi)和(hé)中(zhōng)子(zi)里(lǐ)（就(jiù)像(xiàng)冰(bīng)块(kuài)里(lǐ)的(de)水(shuǐ)分(fēn)子(zi)）；但(dàn)如(rú)果(guǒ)你(nǐ)把(bǎ)温(wēn)度(dù)飙(biāo)升(shēng)到(dào)太(tài)阳(yáng)核(hé)心(xīn)的(de)10万(wàn)倍(bèi)，或(huò)者(zhě)压(yā)成(chéng)中(zhōng)子(zi)星(xīng)内(nèi)部(bù)的(de)高(gāo)密(mì)度(dù)，夸(kuā)克(kè)就(jiù)会(huì)挣(zhēng)脱(tuō)束(shù)缚(fù)，变(biàn)成(chéng)一(yī)锅(guō)沸(fèi)腾(téng)的(de)“夸(kuā)克(kè)胶(jiāo)子(zi)汤(tāng)”。科(kē)学(xué)家(jiā)研(yán)究(jiū)这(zhè)张(zhāng)图(tú)，就(jiù)是(shì)为(wèi)了(le)搞(gǎo)懂(dǒng)宇(yǔ)宙(zhòu)大(dà)爆(bào)炸(zhà)最(zuì)初(chū)的(de)瞬(shùn)间(jiān)，或(huò)者(zhě)中(zhōng)子(zi)星(xīng)内(nèi)部(bù)的(de)极(jí)端(duān)世(shì)界(jiè)到(dào)底(dǐ)藏(cáng)着(zhe)什(shén)么(me)秘(mì)密(mì)！

这(zhè)一(yī)工(gōng)作(zuò)不(bù)仅(jǐn)深(shēn)化(huà)了(le)对(duì)高(gāo)密(mì)核(hé)物(wù)质(zhì)状(zhuàng)态(tài)的(de)理(lǐ)解(jiě)，也(yě)为(wèi)揭(jiē)示(shì)宇(yǔ)宙(zhòu)早(zǎo)期(qī)演化之谜提供了新的实验思路。

参考文献

[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

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作者：雍高产（中国科学院近代物理研究所）

监制：中国科普博览

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