人类对宇宙起源的探索从未止步，而高能物理实验正是揭示宇宙早期奥秘的关键途径。近日，一台全新且性能强大的粒子探测器——sPHENIX，在布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）上，成功通过了一项至关重要的基准测试，其目标直指解开宇宙诞生初期物质形态之谜。sPHENIX是RHIC最新的大型实验装置，其核心使命在于极其精确地测量高速粒子对撞后产生的各种粒子产物。通过细致分析这些碰撞“残骸”，科学家们期望能够回溯并重构夸克-胶子等离子体（QGP）的性质。QGP被普遍认为是宇宙大爆炸后最初几微秒内短暂存在的超高温、超致密的亚原子粒子汤，由被称为夸克和胶子的基本粒子构成。这种神秘等离子体如同昙花一现，迅速冷却并结合，最终形成了我们今天所见的质子和中子，构成了日常物质的基础。
sPHENIX探测器此次取得的关键测量结果，有力证明了其在精确拼凑夸克-胶子等离子体原始性质方面的强大潜力。在《高能物理学杂志》上发表的一篇论文中，包括麻省理工学院（MIT）物理学家在内的科研团队报告称，sPHENIX以前所未有的精度测量了接近光速的金离子对撞后，从碰撞点喷射出的粒子数量和能量分布。这不仅是对探测器性能的全面检验，更是对未来科学探索能力的庄严宣告。这项成就标志着高能物理研究进入了一个新的阶段，有望为我们理解极端物理条件下的物质行为提供宝贵数据。
图1：sPHENIX探测器内部核心区域的安装过程，展示了内层强子量能器的精细结构。
标准烛光测试：精度验证的基石
在粒子物理学领域，这项测试被誉为“标准烛光”，意指它是一种已经被充分验证的、稳定的基准测量，可用于评估探测器的整体精度和可靠性。具体而言，sPHENIX成功测量了金离子对撞时产生的带电粒子数量，并进一步解析了这一数量如何随着对撞方式（迎头碰撞与擦边碰撞）的变化而改变。探测器数据显示，迎头碰撞产生的带电粒子数量是擦边碰撞的十倍，且这些粒子的能量也高出十倍。这一结果不仅符合理论预期，更超出了先前的实验数据，展现了sPHENIX卓越的性能。
麻省理工学院物理学教授、sPHENIX合作组的前发言人Gunther Roland表示：“这表明探测器运行正常，一切符合设计预期。” 他形象地比喻道：“这就好比你花费十年建造了一台新的太空望远镜，它终于拍下了第一张照片。这张照片可能并非全新的发现，但它证明望远镜已经准备好开始探索全新的科学领域。”
MIT物理学研究生、该论文的主要合著者之一Hao-Ren Jheng补充说：“有了这个坚实的基础，sPHENIX在以更高的精度和分辨率推进夸克-胶子等离子体研究方面，具备了得天独厚的优势。深入探测QGP的演化、结构和性质，将帮助我们重构早期宇宙的极端条件。” 该论文的共同作者均为sPHENIX合作组的成员，该合作组汇聚了全球300多位科学家，包括Roland教授、Jheng以及MIT Bates研究与工程中心的物理学家们。他们的跨学科合作是推动这项前沿研究不可或缺的力量。
瞬间即逝的“完美流体”：夸克-胶子等离子体
诸如布鲁克海文国家实验室RHIC这样的粒子对撞机，其设计宗旨是将粒子加速至接近光速的“相对论性”速度。当这些粒子在相反方向的循环束流中被加速并重新汇合时，任何发生的对撞都能够释放出巨大的能量。在特定的极端条件下，这种能量能够在极短的时间内以夸克-胶子等离子体（QGP）的形式存在，这正是大爆炸后宇宙中物质的原始形态。
正如早期宇宙的情形，夸克-胶子等离子体在粒子对撞机中停留的时间也极其短暂。一旦QGP被产生，它仅存在大约10的负22次方秒，即约万亿万亿分之一秒。在这转瞬即逝的瞬间，夸克-胶子等离子体的温度极高，可达数万亿摄氏度，并表现出“完美流体”的特性，这意味着它作为一个整体运动，而非随机粒子的集合。几乎在同一时刻，这种奇异的行为便会消失，等离子体冷却并转变为更常见的粒子，如质子和中子，并从主碰撞点喷射而出。
“我们从来看不到QGP本身——我们只能看到它的‘灰烬’，即它衰变后产生的粒子。” Roland教授解释道，“通过sPHENIX，我们希望测量这些粒子，从而反推出QGP的性质，它几乎是瞬间消失的。” 这项挑战犹如试图从火焰的烟尘中还原出燃烧物的原始形态，对探测器的敏感度和数据分析能力提出了极高要求。
“十亿分之一”的稀有过程：sPHENIX的独特优势
sPHENIX探测器是布鲁克海文国家实验室原有PHENIX实验（Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment）的下一代升级版，它曾用于测量RHIC产生的重离子碰撞。2021年，sPHENIX取代了它的前辈，成为一个更快、更强大的版本，专为探测夸克-胶子等离子体更为微妙和短暂的特征而设计。其技术创新和工程壮举，使其能够捕捉到传统探测器难以企及的细节。
探测器本身如同一个两层楼高的建筑，重达约1000吨，坐落在RHIC两条主对撞束流的交汇处。相对论性粒子从相反方向加速，在此处相遇并碰撞，产生的粒子则飞向探测器。sPHENIX得益于其新颖的分层组件，包括由麻省理工学院Bates研究与工程中心的科学家设计、建造和安装的MVTX（微顶点）子探测器，能够每秒捕获并测量15,000次粒子碰撞。这些先进的追踪系统和高分辨率量能器，使得sPHENIX能够以前所未有的效率收集数据。
图2：sPHENIX探测器内部多层结构的示意图，详细展示了其精密的粒子追踪和能量测量系统。
sPHENIX的各项系统协同运作，使其能够作为一个巨大的三维相机，在单次碰撞产生的粒子“爆炸”中，追踪每个粒子的数量、能量和路径。MIT博士后Cameron Dean是这项新研究分析的主要贡献者之一，他指出：“sPHENIX利用了RHIC投入运行25年以来探测器技术的发展成果，能够以最快的速度收集数据。这使得我们首次能够探测到极其稀有的物理过程。”
在2024年秋季，科学家们对探测器进行了为期三周的“标准烛光”测试，以评估其速度和精度。在此期间，他们收集了sPHENIX对撞机加速并撞击接近光速的金离子束流的数据。对这些数据的分析结果显示，sPHENIX不仅精确测量了单个金离子碰撞中产生的带电粒子数量及其能量，而且对碰撞的“迎头程度”也极为敏感。探测器观测到，与非直接碰撞相比，迎头碰撞产生了更多、能量更高的粒子。
Jheng强调：“这项测量提供了明确的证据，表明探测器正在按预期运行，并且性能卓越。”
Dean补充道：“sPHENIX的乐趣才刚刚开始。我们目前正在继续对撞粒子，预计还会持续几个月。有了所有这些数据，我们可以寻找那‘十亿分之一’的稀有过程，这将为我们提供关于QGP密度、粒子在超致密物质中扩散方式，以及结合不同粒子所需能量等方面的深入见解。” 这些见解有望极大地推进我们对强相互作用物质，特别是量子色动力学（QCD）中夸克和胶子行为的理解，从而更全面地构建宇宙演化的图景。sPHENIX的成功，不仅仅是工程技术的胜利，更是人类探索未知、拓展知识边界的又一里程碑。
