重現大霹靂：微小碰撞揭開宇宙最初物質的小水滴之謎

相對論重離子對撞機（RHIC）上的PHENIX實驗科學家們，發現了令人信服的證據，顯示即使是小原子核與大原子核的碰撞，也能產生夸克膠子電漿（QGP）的微小水滴。電漿是物質的四種基本狀態之一，和固態、液態、氣態並列，是由正離子和自由電子組成的離子化氣體，在1920年代由化學家歐文・朗繆爾首次描述。科學家認為，這種由自由夸克和膠子（質子和中子的基本組成部分）構成的獨特物質狀態，在大霹靂發生後不久就已存在。

在RHIC，金離子（即去除電子的金原子核）的高能碰撞，經常透過熔化這些核子構建單元，創造出QGP，這使研究人員得以研究電漿的特性。最初，物理學家認為涉及較小離子的碰撞，無法產生足夠能量來創造QGP，因為人們認為較小離子缺乏必要力量，去分解較大離子中的質子和中子。然而，PHENIX的資料卻一直顯示情況並非如此，表明即使是小碰撞系統，也能產生與在更大的QGP形成中觀察到的相似的粒子流模式。

最新研究結果發表在《物理評論快報》上，進一步支援了這些微小QGP水滴存在的論點。該研究首次提供直接證據，證明在RHIC的小規模碰撞中形成的高能粒子，在向外移動時會顯著損失能量並減速，這是QGP形成的一個關鍵指標。PHENIX合作組織發言人、日本理研西那中心加速器科學部門的物理學家秋葉康之表示：「我們首次在小碰撞系統中，發現了高能粒子的抑制現象，這是QGP存在的兩大主要證據之一。」

尋找高能粒子噴流的抑制，即噴流淬滅，自2000年RHIC（美國能源部科學辦公室用於核物理研究的使用者設施，位於布魯克海文國家實驗室）執行之初，就是一個重要目標。當RHIC離子束中的質子或中子內的夸克或膠子，與相反方向運動的離子束中核粒子內的夸克或膠子劇烈碰撞時，就會產生噴流。這些強相互作用能將單個夸克或膠子，從碰撞的核子構建單元中以巨大能量踢出去，這些高能粒子會迅速轉化為其他粒子的級聯，即噴流。

如果碰撞沒有將核物質熔化成自由夸克和膠子的「湯」（即QGP），那麼這些高能粒子噴流或其衰變產物，就能自由飛出，被RHIC的探測器計數。但如果碰撞形成了QGP，被踢出去的自由夸克或膠子，儘管具有能量，也會捲入與構成電漿的夸克和膠子的相互作用中。來自石溪大學的PHENIX物理學家加博爾・大衛解釋說：「你可以把這想像成在空氣中和在水中跑步的區別，QGP就像水，它會使粒子速度減慢。」結果就是，噴流到達探測器時，只有原始能量的一小部分。

為了尋找這種抑制現象，物理學家首先必須透過從簡單的質子 - 質子碰撞，按比例放大到涉及更重離子（如金）碰撞中的質子和中子數量，來估計金 - 金碰撞中預期的高能粒子數量。計算值間接表明碰撞是發生在兩個金離子的正中心，還是擦邊碰撞（即離子在邊緣擦過）。中心碰撞預期會比邊緣碰撞產生更多噴流，但也更有可能產生更大的QGP，從而導致更高程度的噴流抑制。

秋葉康之說：「這種方法在金 - 金碰撞中效果非常好。我們預期在最中心的金 - 金碰撞中，看到的高能粒子或噴流數量，是質子 - 質子碰撞的1000倍，但我們只看到了質子 - 質子碰撞水平的大約200倍，即預期數量的五分之一，這是五倍的抑制因子。」這種噴流抑制是金 - 金碰撞產生QGP的明顯跡象，也與這些碰撞中QGP形成的另一個關鍵特徵相符，即由完美液體電漿的流體力學特性引起的粒子流特徵模式。

當PHENIX科學家在小碰撞系統中觀察到類似的流體力學流模式，暗示可能存在微小的QGP水滴時，他們也開始在這些事件中尋找噴流抑制現象。結果令人驚訝：雖然像氘核（一個質子和一個中子）等粒子與金離子的最中心碰撞，顯示出噴流抑制的跡象，但更邊緣的碰撞似乎顯示出高能噴流的增加。大衛表示：「完全沒有解釋為什麼會發生這種情況。」

事實證明，這種令人驚訝的增加，是物理學家確定碰撞中心度的間接方法所導致的假象。正如新論文中所述，他們透過嘗試另一種更直接的方法發現了這一點。他們沒有使用基於幾何模型的計算，來估計參與碰撞的核粒子（質子和中子）數量，而是透過計數所謂的直接光子，直接測量這些相互作用。

這是可行的，因為正如RHIC碰撞可以將高能夸克或膠子踢出去一樣，這種相互作用也可以產生高能光子，即光粒子。這些直接光子在碰撞中與被踢出去的自由夸克和膠子同時產生，且數量成比例。因此，透過計數擊中探測器的直接光子，PHENIX科學家可以直接測量碰撞的中心度，並準確知道有多少高能夸克或膠子被踢出去，即預期會有多少噴流。

分析的另一位負責人、石溪大學的阿克塞爾・德雷斯解釋說：「碰撞越中心，小碰撞氘核中的夸克和膠子，與金離子質子和中子中的夸克和膠子之間的相互作用就越多。所以，中心碰撞比擦邊碰撞產生更多直接光子，也應該產生更多高能噴流粒子。」但與夸克和膠子不同，光子不會與QGP相互作用。德雷斯說：「如果產生了光子，它們會完全無能量損失地逃出QGP。」

因此，如果沒有QGP，光子和高能粒子應該按比例被探測到。但如果在中心碰撞中探測到的高能噴流粒子數量，明顯低於相同能量的直接光子數量，這可能是存在QGP、使噴流淬滅的跡象。當時由大衛指導的研究生尼維迪塔・拉馬薩布拉馬尼安，承擔了從PHENIX的氘核 - 金碰撞資料中梳理出直接光子訊號的艱巨任務。當她的分析完成時，早期邊緣碰撞中出現的、無法解釋的噴流增加現象完全消失了，但在最中心的碰撞中，仍然有強烈的抑制訊號。

論文共同作者拉馬薩布拉馬尼安表示：「進行這項複雜分析的最初動機，只是為了更好地理解邊緣碰撞中高能噴流的奇怪增加，而我們做到了。」她因對這一結果的貢獻，在2022年RHIC和AGS使用者會議上獲得了博士學位和論文獎。她補充說：「我們在最中心碰撞中觀察到的抑制現象，完全出乎意料。」秋葉康之說：「當我們使用直接光子作為碰撞中心度的精確、準確度量時，我們可以清楚地看到（中心碰撞中的）抑制現象。」

大衛指出：「新方法完全依賴可觀測量，避免了理論模型的使用。」下一步將是將相同的方法應用於其他小碰撞系統。德雷斯說：「正在用相同技術對PHENIX的質子 - 金和氦 - 3 - 金資料進行分析，這將有助於進一步釐清這種抑制現象的起源，以確認我們目前的理解，或透過其他解釋將其排除。」

參考文獻：《在√??⁢? = 200 GeV的d + Au碰撞中，利用直接光子解離中心度偏差和末態效應對高pT中性π介子產生的影響》，作者N. J. Abdulameer、U. Acharya等，發表於2025年1月15日的《物理評論快報》，DOI：10.1103/PhysRevLett.134.022302 。

這項研究由美國能源部科學辦公室（NP）、美國國家科學基金會，以及科學論文中列出的一系列美國和國際大學及組織資助。PHENIX實驗在2000年至2016年間在RHIC收集資料，正如本文所示，對其資料的分析仍在進行中。