我们在实验室模拟“宇宙大爆炸”，发现了藏有秘密的“宇宙指纹”

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-强子相变，就像水蒸气凝结成水滴，它标志着宇宙开始从混沌走向有序。如果当初夸克没有成功组成质子和中子，整个宇宙至今都只会是一锅飘着自由夸克的“粒子清汤”。

夸克-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，挥发性元素被吹向外围，留下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行分析，研究人员发现重轻反应系统同类粒子发射比可作为揭示QGP出现的关键指标。如同指纹能识别身份，不同粒子在碰撞中的产出比例蕴含着重要信息。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，标记出构成物质的夸克在不同环境下会如何“变身”。比如常温下，夸克被“胶子”死死粘在质子和中子里（就像冰块里的水分子）；但如果你把温度飙升到太阳核心的10万倍，或者压成中子星内部的高密度，夸克就会挣脱束缚，变成一锅沸腾的“夸克胶子汤”。科学家研究这张图，就是为了搞懂宇宙大爆炸最初的瞬间，或者中子星内部的极端世界到底藏着什么秘密！

这一工作不仅深化了对高密核物质状态的理解，也为揭示宇宙早期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

出品：科普中国

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