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

新的计算表明，高达70%的某些粒子可能源自后期反应，而不是大爆炸后刚刚形成的初始夸克-胶子汤。这一发现挑战了先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的要晚。通过了解这些过程，科学家可以更好地解释对撞机实验的结果，并完善他们对宇宙起源的认识。

再现宇宙早期的极端条件

早期宇宙比太阳核心热25万倍。这个温度高到无法形成日常物质所需的质子和中子。科学家们通过让原子以接近光速的速度相互碰撞，在粒子加速器中再现了早期宇宙的条件。通过测量产生的粒子束，科学家们可以了解物质是如何形成的。

科学家所测量的粒子可以通过多种方式形成：从原始的夸克和胶子汤或后来的反应中。这些后来的反应开始于大爆炸后的0.000001秒，当时由夸克组成的复合粒子开始相互作用。一项新的计算确定，所测量的某些粒子中有多达70%来自这些后来的反应，而不是来自与早期宇宙类似的反应。

理解物质的起源

这一发现深化了科学界对物质起源的理解。它有助于我们了解在大爆炸后最初的几分之一秒内，周围有多少物质形成，又有多少物质是在宇宙膨胀过程中的后续反应中形成的。这一结果表明，我们周围的许多物质形成时间比预期的要晚。

为了理解对撞机实验的结果，科学家们必须减去在后续反应中形成的粒子。只有在亚原子汤中形成的粒子才能揭示宇宙的早期状态。这项新的计算表明，在反应中形成的可测量粒子数量远高于预期。

颗粒形成中后续反应的重要性

上世纪90年代，物理学家们发现，宇宙初始形成阶段之后的反应会产生大量特定粒子。这种被称为D介子的粒子可以相互作用形成罕见的粒子——粲偶素。科学家们在影响有多大这一问题上未达成共识。由于粲偶素非常罕见，因此很难测量。

然而，最近的实验提供了有关产生多少粲偶素和D介子对撞机的数据。耶鲁大学和杜克大学的物理学家利用这些新数据来计算这一效应的强度。结果比预期的要大得多。测量到的超过70%的粲偶素可以在反应中形成。

对理解物质起源的意义

当亚原子粒子的热汤冷却时，它会以火球的形式膨胀。这一切都在光穿过原子所需时间的百分之一以下的时间内发生。因为速度如此之快，科学家们无法确定火球是如何膨胀的。

新的计算表明，科学家绝对不需要知道这种膨胀的细节。无论如何，碰撞都会产生大量的粲偶素。新的研究结果使科学家离了解物质的起源更近了一步。

参考文献：“在铅+铅碰撞中的强子J/ψ再生”，约瑟夫·多米尼库斯·拉普和伯恩特·米勒，2023年10月11日，《物理快报B》。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感谢耶鲁大学在休假期间提供的款待和财政支持。