在大爆炸后的最初几微秒，宇宙并非由原子甚至质子或中子构成。它是一锅由夸克和胶子（物质的基本组成部分）构成的炽热浓汤，温度之高、密度之大，使得粒子无法独立存在。这锅汤被称为夸克-胶子等离子体（QGP），在宇宙膨胀冷却后的百万分之一秒内便消失了。如今要研究它，物理学家必须重现它：通过将近乎光速的重铅核相互撞击。
经过20年的搜寻，CERN大型强子对撞机的CMS实验终于确认了2004年预言的一种现象,,高能粒子穿透夸克-胶子等离子体时留下的「扩散尾迹」。这一观测结果已被接受在《物理评论快报》上发表，为研究早期宇宙中充满的原始汤的性质提供了新窗口。
什么是尾迹
将QGP想象成一种流体，它如此炽热致密，以至于通常被束缚在质子和中子内部的夸克和胶子都能自由游荡。当高能夸克或胶子（一种「部分子」）在这个等离子体内部产生时，它会撕裂介质，在运动过程中释放能量和动量。这会产生类似于船尾迹的扰动：粒子前方有压缩波，后方则是物质耗尽的区域。这种耗尽,,即喷流相反方向低能粒子的可测量缺失,,就是扩散尾迹。
「扩散尾迹在20多年前就被理论预测到了，但在实验数据中一直难以捕捉，」领导这项分析的伊利诺伊大学芝加哥分校的奥尔加·叶夫多基莫夫教授与博士后拉古纳特·普拉丹共同表示。
统计问题
寻找尾迹的困难不在于它是否存在,,理论认为它必然存在,,而在于能否从压倒性的背景噪声中提取出信号。每次LHC的铅-铅碰撞都会产生数千个粒子。其中，尾迹的信号极其微小：横动量在1到2 GeV之间的带电粒子出现细微缺失，其能量仅为喷流本身的约千分之一。
此前LHC上ATLAS实验利用光子-喷流事件的尝试一无所获，只得到了可能存在量的上限。CMS团队通过采用不同的方法取得了成功：双喷流事件，即从一次硬散射中产生两个背靠背的喷流。双喷流事件的发生频率远高于光子-喷流事件，提供了提取信号所需的统计能力。
团队比较了铅-铅（PbPb）和质子-质子（pp）碰撞中的双喷流-强子关联，两者均在质心能量5.02 TeV下记录。通过选择两个喷流沿探测器纵轴方向相距很远的事件，并减去喷流彼此靠近的事件的影响，扩散尾迹信号显现出来。其统计显著性超过了5个标准差，达到了粒子物理学中发现的黄金标准。
通往早期宇宙的窗口
QGP每次碰撞仅存在约10^-23秒，但研究其性质能让物理学家了解大爆炸后最初瞬间物质的行为方式。「观测并量化QGP扩散尾迹为夸克-胶子等离子体特性和动力学的新型精密表征打开了大门，」普拉丹说，「并有望为早期宇宙的演化带来新的洞见。」
尾迹信号在最中心的碰撞中最强，此时QGP最大也最热，而在产生等离子体较少的外围碰撞中则消失。信号在1-2 GeV范围的带电粒子中最清晰，在2到4 GeV之间也观测到了较小但仍然显著的信号。
局限与张力
包含尾迹效应的现有理论模型,,HYBRID模型和CoLBT-hydro模型,,都预测了观测到的耗尽现象，但高估了其幅度。这意味着对QGP如何响应高能喷流的理论理解仍不完整。没有模型能完美匹配数据，这为改进留下了空间。
此前ATLAS利用光子-喷流事件对同一现象的搜索（Phys. Rev. C 111, 044909, 2025）只得到了上限。CMS团队使用双喷流方法的成功表明，光子-喷流方法的灵敏度不够，双喷流事件提供了显著更强的统计能力。
下一步计划
随着LHC第三轮运行于2026年6月29日结束，CMS探测器现已进入第三次长期停机，期间LHC将为预计2030年开始的第四轮运行进行升级。来自更高亮度碰撞的新数据将能更精确地测量尾迹及其性质。未来的工作还可能在不同能量和不同碰撞系统下探测尾迹，从而可能揭示QGP行为的新方面。
题为「利用重离子碰撞中的双喷流观测喷流扩散尾迹」的论文由CMS合作组（A. Hayrapetyan 等）撰写，已被接受在《物理评论快报》上发表。预印本可在arXiv: 2602.19431 (nucl-ex)上获取。
来源
1. CMS合作组, “Observation of the jet diffusion wake using dijets in heavy-ion collisions,” 已被《物理评论快报》接受, arXiv:2602.19431 (2026). DOI: 10.1103/g49y-8cjl
2. CMS实验新闻文章, “In the wake of partons,” 2026年7月8日. cms.cern/news/wake-partons
3. R. Lea, “Earth’s largest particle accelerator opens new window into the early universe,” Space.com, 2026年7月17日.
婷 翻译