在瑞士日内瓦的地下深处,隐藏着一项非凡的科学探索——ALICE实验,它并非某个科学家的名字,而是一个巨大的粒子探测装置,全称为“大型离子对撞机实验”(A Large Ion Collider Experiment)。这个设施建立在世界最大的粒子加速器LHC(大型强子对撞机)的环形隧道之上,深入地下50米,旨在重现宇宙诞生之初那短暂而神秘的一百万分之一秒。
科学家们利用ALICE,将铅离子加速至接近光速的惊人速度(99.9999991%),每秒在LHC的隧道中绕行11000圈,然后使其发生对撞。这一碰撞产生的能量巨大,局部温度高达两万亿度,是太阳核心温度的十万倍以上,从而创造出一种在自然界中从未出现过的物质状态——夸克-胶子等离子体。
这一实验的核心,是尝试用现实世界的能量去构建一个“婴儿宇宙”的微小片段,并通过收集和分析数据来揭示其物理性质。然而,实验的难点并不在于制造这种极端条件,而在于如何观测和解读这些瞬间产生、瞬间消失的粒子。
科学家们无法直接看到夸克和胶子,只能通过分析碰撞后喷涌而出的粒子的轨迹、动量和能量残留来间接推断。这一过程需要大量的数据积累、模型拟合和反复对比,每一次碰撞都是对宇宙早期状态的一次模拟和测试。
自2009年ALICE正式运行以来,它已经在2010年首次成功制造出了人类历史上最高温的物质状态。然而,令人惊讶的是,探测器测到的粒子行为异常整齐、有序,呈现出一种类似液体的特性,而非预期的“高温气体”。这一发现彻底颠覆了科学家们对宇宙早期状态的认知,揭示了宇宙初期并非混乱的气态,而是一种接近“完美液体”的状态。
这种“近乎完美的液体”状态意味着夸克和胶子之间仍然保持着强相互作用,形成了集体行为。这一发现挑战了传统物理学中关于高温下强相互作用衰减的判断,为理解宇宙从夸克-胶子等离子体到原子核的演化提供了新的线索。
为了填补这一物质演化的缺口,ALICE实验不断地进行着碰撞实验,并收集了大量的数据。这些数据量巨大,每天产生86TB的数据,一年累计超过30PB。科学家们利用AI、机器学习和分布式计算等技术来处理这些数据,与模拟和理论进行交叉比对,以揭示宇宙早期的秘密。
CERN(欧洲核子研究组织)拥有世界上最大的粒子加速器LHC,其周长达到27公里。ALICE实验正是利用这一设施的重离子撞击能力,创造出极端条件来模拟宇宙早期的状态。与质子撞击不同,重离子撞击使用的离子包含200多个核子,能量更高、效果更显著。
然而,ALICE实验并非一帆风顺。科学家们面临着物理极限、工程极限和数据极限的挑战。但正是这些挑战,激发了他们不断探索和创新的热情。每年,LHC只运行一个月的重离子碰撞实验,但这一个月的时间足以产生数十亿次的宇宙早期复制,每一次撞击都是对宇宙诞生与演化的一次深入探索。
有趣的是,在ALICE实验之前,没有人预言夸克-胶子等离子体会呈现出液态特性。所有模型都认为它会是一种高温自由气体。然而,现实却给了所有人一个惊喜。这一发现不仅揭示了宇宙早期的物质状态,也证明了ALICE这种“婴儿宇宙复刻”策略的有效性。
更令人兴奋的是,ALICE实验还发现这种近乎完美的液体中存在集体涨落、各向异性流动甚至可能的涡旋结构。这些发现意味着宇宙在诞生之初就已经不是完全均匀的了,这为后来宇宙结构的形成提供了重要的线索。
通过ALICE实验,科学家们不仅在研究粒子物理,更是在研究时间本身。他们试图揭开宇宙从诞生到今天的演化过程,理解昨天是如何变成今天的。这一伟大的科学探索,不仅让我们对宇宙有了更深入的认识,也激发了我们对未知世界的好奇心和探索欲。