科学家用氧原子核对撞再现宇宙初生物质，夸克胶子等离子体生成门槛下探至200GeV，小系统物理边界被改写

据 ScienceDaily 2026年10月30日报道（消息来源为美国能源部布鲁克海文国家实验室），STAR 实验团队在《物理评论快报》发表最新分析：以接近光速对撞氧原子核时，研究人员在仅 200 GeV 的对撞能量下观测到约 20% 的高能粒子产额抑制。这一信号表明，夸克胶子等离子体能够在比以往认知更小、更冷的碰撞系统中生成，宇宙初生物质的生成门槛因此被大幅下探。

用氧原子核复刻宇宙最初一微秒

夸克胶子等离子体被认为是大爆炸后最初几微秒充满整个空间的物质形态——那时构成今日原子的质子和中子尚未成形，夸克与胶子自由游荡。相对论重离子对撞机（RHIC）2000年起在布鲁克海文国家实验室运行，专为制造并研究这种物质而建，长期手段是把金原子核加速到极高速度迎头相撞：每个金核含 79 个质子和 118 个中子，撞击能量依 E=mc² 转化为成千上万个新粒子，形成比原子核更小、寿命短于十亿分之一的十亿分之一秒的原初液滴。液滴几乎瞬间重组为普通粒子，科学家只能依靠 STAR 探测器捕捉残余粒子反推其性质。

负责统筹此次分析的山东大学物理学院教授李毅表示：“QGP 被认为是大爆炸初期充满早期宇宙的物质形态，在构成今天原子的质子与中子形成之前就已存在。理解它的性质，对揭示早期宇宙最初几微秒如何演化至关重要。”

喷注淬灭：从“子弹穿水”看夸克胶子等离子体

由于这种物质转瞬即逝，物理学家转而寻找它留下的痕迹。最有力的线索之一是“喷注淬灭”：当某个夸克或胶子与另一核内的夸克或胶子对撞时，会抛出两束方向相反的高能粒子（即双喷注）；若其中一束产生于碰撞区边缘，它必须穿行更长的等离子体路径，沿途不断与夸克胶子碰撞而损失能量，最终以低于预期的能量逃逸。

李毅用一个日常比喻解释这一过程：“你可以把它想象成朝水里开枪。因为阻力，子弹会减速。这些高能粒子也是一样，穿过 QGP 时会损失能量。”在 RHIC 的金核碰撞中，这一效应早已被反复确认；欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）也在氧对撞中观测到类似现象，构成对本次结果的旁证。

关键时间线与核心数据

从“完美液体”到小系统之争

金核对撞还带来另一个意外发现：从中逸出的低能粒子呈现协调一致的集体运动，说明等离子体几乎像无粘滞的完美液体流动。集体流随即成为 QGP 的另一“确凿指纹”。此后，LHC 与 RHIC 相继在质子、氘核、氦-3 等微小弹核撞击金核或铅核时捕捉到类似流动，甚至在质子-质子对撞中也见到迹象。问题随之而来：这些协调运动究竟意味着小系统同样生成了 QGP，还是另有机制可以解释？物理学界需要更硬的证据。

布鲁克海文实验室 STAR 物理学家马荣荣说：“下一个自然而然的问题是：在这样极小的碰撞系统里，你能否看到喷注淬灭这个 QGP 形成的另一关键特征？我们此前没有看到任何无歧义的信号，所以这在小型系统中仍有争论。我们想找出仍能清晰看到喷注淬灭信号的最小系统。”

氧-氧对撞中的喷注淬灭：20% 抑制意味着什么

研究团队转向氧核，正是看中其结构简单。山东大学副教授聂茂武指出，氧核呈近似球形的对称结构，8 个质子与 8 个中子使碰撞几何更易解析，“这让我们更容易在正面碰撞中寻找靠近圆形作用区边缘产生的双喷注的非对称淬灭迹象”。团队还对比了迎头对撞与擦碰：前者产生的粒子最多、最可能生成 QGP，后者粒子数少得多，预期不会出现淬灭。

在山东大学完成硕士论文、现于耶鲁大学攻读博士的张思洁说：“我们的测量本质上是计数实验。我们有一套算法找出一束束准直的高能粒子，也就是喷注，然后统计超过特定能量阈值的粒子有多少个。”曾搭建分析框架、现于 LHC 研究氧对撞的何洋补充，团队正是把系统边缘的背对背喷注，与预期不会淬灭的非中心对撞计数作比较。结果是约 20% 的抑制——幅度小于金核碰撞，却足以确认 QGP 已经形成。

双向下探：能量与核尺寸的双重边界

氧是除质子-质子之外，唯一在 RHIC 与 LHC 两处设施都被研究过的核种，这为“同条件对比”提供了难得机会。LHC 的氧对撞能量超过 5000 GeV，是 RHIC 所用 200 GeV 的 25 倍以上。李毅解释：“能量越高的对撞，越可能产生更多夸克和胶子，形成更热、更密的 QGP 系统。也就是说，如果喷注淬灭信号存在，LHC 应该比 RHIC 更大。”正因如此，在低能量下仍测得明确信号，才更具分量。

马荣荣说：“我们从两个方向推进边界，一是通过氧-氧对撞缩小核尺寸，二是使用更低碰撞能量的数据，而我们仍然看到这一关键特征。这是我们测量独有之处。”RHIC 已于 2026年2月6日结束运行，但 STAR 与 sPHENIX 探测器留下的氧对撞数据仍待挖掘。该研究获美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会及多个国际机构资助，并使用了开放科学网格与劳伦斯伯克利国家实验室的 NERSC 超算资源。

常见问题

Q1: 夸克胶子等离子体究竟是什么？

A1: 它是大爆炸后最初几微秒内存在的高温高密物质状态。此时夸克与胶子不再被束缚在质子、中子内部，而是自由流动；随着宇宙膨胀冷却，它们才结合成今日的核子。实验室中只能通过重核对撞瞬时复现，生成物寿命短于十亿分之一的十亿分之一秒。

Q2: 为什么改用氧核而不是金核？

A2: 金核含 197 个核子，氧核仅 16 个，系统更小、几何更对称，便于判断喷注穿行的路径长短；同时氧核可在 RHIC 与 LHC 两处不同能量下对比，帮助定位 QGP 生成的临界条件。

氧对撞把宇宙初生物质的生成门槛压到 200 GeV 与 16 个核子的规模，剩余数据或将给出彻底消失的临界点。