对早期宇宙物质起源的惊人见解

艺术家绘制的两个重原子碰撞产生的粒子喷雾。当热的亚原子汤冷却时，新形成的粒子落入太空。版权所有：约瑟夫·多梅尼库斯·拉普，编辑

科学家们在粒子加速器中重现了早期宇宙的极端条件，揭示了对物质形成的惊人见解。

新的计算表明，高达 70% 的粒子可能源自后来的反应，而不是反应后立即形成的初始夸克-胶子汤。 大爆炸这一发现挑战了之前关于物质形成时间线的假设，并表明我们周围的许多物质的形成时间比预期晚。通过了解这些过程，科学家可以更好地解释碰撞实验的结果，并提高他们对宇宙起源的了解。

重现早期宇宙中普遍存在的恶劣条件

早期宇宙的温度比太阳核心高25万倍。这里温度太高，无法形成构成日常物质的质子和中子。科学家们正在粒子加速器中通过以接近光速的速度将原子粉碎在一起来重现早期宇宙的条件。测量产生的粒子数量可以让科学家了解物质是如何形成的。

科学家测量的粒子可以以不同的方式形成：来自夸克和胶子的原始汤或后来的相互作用。这些随后的相互作用开始于大爆炸后 0.000001 秒，此时由夸克组成的复合粒子开始相互作用。一项新的计算发现，高达 70% 的测量粒子来自这些后来的相互作用，而不是来自类似于早期宇宙中发生的相互作用。

了解物质的起源

这一发现增进了对物质起源的科学理解。它有助于确定我们周围的物质有多少是在大爆炸后的最初几分之一秒内形成的，与宇宙膨胀后相互作用形成的物质数量进行比较。这一结果表明我们周围的大量物质的形成时间比预期晚。

为了了解碰撞实验的结果，科学家必须排除随后相互作用中形成的粒子。只有那些在亚原子汤中形成的物质才能揭示宇宙的早期状况。这项新计算表明，测量到的反应中形成的颗粒数量远高于预期。

后续反应在颗粒形成中的重要性

20 世纪 90 年代，物理学家意识到，宇宙最初形成后，一些粒子通过随后的相互作用而大量形成。称为 D 介子的粒子可以相互作用形成一种稀有粒子——卡铵。对于这种效应的重要性，科学家们意见不一。由于卡铵很稀有，因此很难测量。

然而，最近的实验提供了卡铵和 D 介子碰撞次数的数据。 耶鲁大学 杜克大学利用新数据计算了这种效应的强度。事实证明，它的重要性远远大于预期。超过 70% 的测量卡铵可以在反应中形成。

对理解物质起源的意义

当亚原子粒子的热汤冷却时，它会膨胀成火球。所有这一切发生的时间不到光穿过时间的百分之一 玉米由于速度如此之快，科学家们并不完全确定火球是如何膨胀的。

新的计算表明，科学家不一定需要了解这种扩张的细节。然而，碰撞会产生大量的碳铵。这一新结果使科学家们距离了解物质起源又近了一步。

参考文献：“Pb+Pb 碰撞中的 J/ψ 强子再生”，作者：Josef Dominicus Lapp 和 Bernt Müller，2023 年 10 月 11 日， 字母 b 的物理。
doi：10.1016/j.physletb.2023.138246

这项工作得到了能源部科学办公室核物理项目的支持。其中一位研究人员还对他在耶鲁大学逗留期间提供的热情款待和经济支持表示感谢。