哥本哈根大学的研究人员重现了被认为在宇宙大爆炸后不久充满宇宙的原始物质状态，利用原子核之间的碰撞，这些核的尺寸远小于科学家曾认为的可能值。这些早期宇宙的微观版本可以帮助研究人员理解宇宙历史的最初时刻以及核物理学中的一些深刻问题。在星星、行星、原子和其他熟悉物质形态存在之前，宇宙是什么样的？在瑞士的欧洲核子研究中心，物理学家试图通过重现宇宙在诞生初期的极端条件来回答这个问题。来自尼尔斯·玻尔研究所的研究人员与国际ALICE合作的小组的科学家们在实现这一目标方面迈出了重要一步。 重现宇宙的原始物质 在欧洲核子研究中心，原子核可以被加速到接近光速并相互碰撞。这些碰撞可以产生微小的夸克-胶子等离子体液滴，这种状态的物质被认为在宇宙的前百万分之一秒中充满了宇宙。科学家们长期以来认为生产这种等离子体需要非常重的核，例如铅。新的实验表明，尺寸小得多的核也能产生原始物质。研究人员通过碰撞氧-16和氖-20核成功创建了这种等离子体。“我们推动了原子核在重现这种原始物质时可以有多小的界限——你可以称之为小型大爆炸。我们现在对物质转变为这种极端状态所需的基本条件有了更多了解，”领导该实验的副教授周游说，他之前在哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔研究所工作。他补充道：“希望这能帮助我们更好地理解等离子体在宇宙的最初时刻如何表现，以及它后来如何演变成我们周围一切物质的形态。”作为国际ALICE实验的一部分，这项研究成果刚刚发表在著名的《物理评论快报》期刊上。 标志着保龄球瓶的微型大爆炸 当原子核以巨大的速度碰撞时，它们的组成部分可以转化为一个极小的夸克-胶子等离子体液滴。这个液滴仅存活极短的时间，然后膨胀并转化为其他粒子。科学家们无法直接观察等离子体。相反，他们测量随之产生的粒子并研究这些粒子的运动。新的结果表明，这些运动模式保留了关于碰撞核原始形状的信息。两个氧核之间的碰撞产生相对圆形的模式，而涉及氖的碰撞则生成独特的保龄球瓶形状模式。“原始物质中的粒子直接受到原子核几何形状的影响。如果我们碰撞的两个核是球形的，我们得到一种模式。如果它们呈保龄球瓶的形状，我们得到另一种。通过研究碰撞后粒子的运动，我们可以获得物理学家通常难以获得的关于原子核的信息，”尼尔斯·玻尔研究所的博士后研究员埃米尔·戈尔姆·达尔贝克·尼尔森说，他是该研究的共同作者。他详细解释道：“这有点像给一个物体照光，看到它的影子。你无法直接看到物体，但它的影子揭示了它的形状。同样，粒子的运动揭示了碰撞开始时的原子核几何形状。” 利用极端碰撞探测核结构 物理学家们试图理解原子核的形状和内部结构已经超过70年。这一问题与尼尔斯·玻尔研究所有着特别深刻的联系。阿基·玻尔因他对原子核结构的研究于1975年获得诺贝尔物理学奖。核的形状不仅仅与几何有关。它反映了质子和中子的排列方式，并可以提供有关强相互作用的重要信息——自然界四种基本力量之一，科学家们仍在努力全面理解。传统上，物理学家使用相对低能量的实验研究核结构，包括测量原子核的旋转和振动。新的方法颠覆了这种策略。研究人员不再温和探测核，而是以最高能量碰撞它们，并根据留下的模式重建它们的形状。“对核结构的精准理解有助于我们理解强相互作用。但我们不是以低能量仔细研究核，而是以我们能够创造的最高能量将其相撞。