大型强子对撞机的高能离子碰撞能够产生夸克-胶子等离子体。但重原子核真的是其形成所必需的吗?最重要的是：次级粒子后来如何从等离子体中诞生?在大型强子对撞机实验中观察到的质子与质子或离子之间碰撞的最新分析为寻找这些问题的答案提供了进一步的线索。

当大型强子对撞机中重原子核以最高能量碰撞时，会在难以想象的短暂瞬间产生夸克-胶子等离子体。这是一种奇异的物质状态，通常被困在质子或中子中的夸克和胶子不再紧密地束缚在一起。这种状态不是永久的：随着温度下降，夸克和胶子迅速强子化，即彼此重新结合，产生以不同角度发散的次级粒子流。

强子化过程的细节对于我们理解物理现实的基础至关重要，但它的细节仍然是一个谜。刚刚完成的 LHCb 实验碰撞分析提供了新的线索，该实验是在克拉科夫波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 的物理学家的参与下进行的。

研究结果发表在《高能物理学杂志》上。

“强子化发生在几秒的时间尺度内，即万亿分之一秒的万亿分之一，距离为飞米大小，即十亿分之一米的百万分之一。发生得如此之快并且在如此微观的尺度上发生的现象将无法直接观察到该论文的合著者 Marcin Kucharczyk 教授 (IFJ PAN) 解释道：“这还需要很长时间，也许永远不会。”

“因此，我们试图通过观察碰撞中产生的粒子之间的某些特定量子相关性来推断夸克-胶子等离子体发生了什么。多年来，我们一直在进行此类分析，逐渐对这一现象建立了更准确的描述。处理的数据量增加。”

量子关联到底是什么?在量子力学中，粒子是用波函数来描述的。如果所研究的系统中有许多粒子，它们的波函数可能会重叠。与普通波一样，随后会发生干扰。如果波函数因此被抑制，我们就称为费米-狄拉克相关性，如果波函数被增强，则称为玻色-爱因斯坦相关性。正是后一种相关性(相同粒子的特征)引起了科学家的注意。

研究人员将注意力集中在π介子对或π介子之间出现的玻色-爱因斯坦相关性。类似类型的分析已经对大型强子对撞机加速器上运行的其他探测器的数据进行了分析，但这些分析仅处理从碰撞点以大角度发散的粒子。

与此同时，LHCb探测器的独特设计使物理学家首次能够观察“向前”发射的粒子，其角度与原始光束方向的偏差不超过十几度。由此获得的结果完整地描绘了大型强子对撞机其他实验中测量结果所建立的现象。

“前进”方向的选择并不是唯一的新奇之处。该分析是针对所谓的小系统进行的，即质子-质子、质子-离子和离子-质子碰撞(最后两种情况并不相同，因为在一种情况下只有一个质子高速移动，而在在其他情况下，原子核由许多质子和中子组成)。

除此之外，研究人员想知道在核-核碰撞中观察到的与夸克-胶子等离子体相关的集体现象是否也可能出现在较小粒子系统的碰撞中。

“我们对发现的相关性进行了进一步验证。例如，我们测试了它们如何依赖于不同的变量，例如带电粒子的多重性。此外，由于所有碰撞都是用相同的探测器在相同的条件下记录的，因此我们可以轻松检查我们的相关性在不同的碰撞粒子系统配置下是否会发生变化，”Kucharczyk 教授说。

分析的结论很有趣。所有迹象都表明，即使在单质子碰撞中，大型强子对撞机也可以产生夸克-胶子等离子体。与此同时，质子-质子碰撞中的二次粒子发射源似乎比混合碰撞中的要小。还观察到碰撞中产生的粒子束轴的相关性和角度之间的有趣关联。

“对小系统中相关性的观察引发了关于它们起源的讨论。特别是，它们是否与重离子碰撞具有相同起源的问题很有趣，因此，产生夸克到底需要什么条件-胶子等离子体?这种等离子体的一些当前模型假设等离子体中存在与流动相关的集体现象。我们的分析结果似乎更接近于这种流体动力学模型，”Kucharczyk 教授补充道。

只是——我们真的在强子化过程中处理夸克-胶子等离子体流吗?目前该现象的现有理论模型本质上是现象学的，这意味着它们需要用实验获得的数据进行校准。

尽管如此，没有一个模型能够以令人满意的精度再现测量结果。因此，在了解 夸克-胶子等离子体过程的真正本质之前，物理学家似乎还有很多工作要做。