誇克和膠子是宇宙中的基本粒子，它們無法被分割成更小的組成部分。在強力（自然界中的四種力之一）的作用下，誇克和膠子會緊緊束縛在一起，形成複合粒子，比如我們熟悉的質子和中子。
若想要分離這些複合粒子，唯一的方法是在實驗室中創造一些最熱的物質狀态，即誇克膠子等離子體（QGP）。在這種等離子體中，密度和溫度極高，以至于質子和中子都融解了。
在宇宙大爆炸之後，這種由誇克和膠子組成的“粒子湯”滲透在整個宇宙之中，但在不到一秒的時間内，宇宙就已經冷卻到足以讓誇克結合成質子和中子。今天，我們隻有通過特殊的裝置才能夠研究QGP，比如相對論重離子對撞機（RHIC）就是這樣一台裝置。 最近，RHIC公布了最新的發現，将有助于科學家進一步了解QGP的特性。
讓誇克和膠子自由
RHIC是一台周長約4千米的“原子粉碎機”，它可以通過将兩束金離子（被剝去了電子的原子核）進行加速和對撞，進而在極高的能量下創造并研究QGP。這些高能對撞可以融解原子中的質子和中子的邊界，釋放出其中的誇克和膠子。
但問題是，科學家要如何确定對撞是否産生了QGP？一種方法是尋找自由誇克和膠子與其他粒子互相作用的證據。一種被稱為（upsilon）的粒子正是完成這項任務的理想粒子。
粒子是一種壽命短暫的粒子，它是由重的誇克-反誇克（底-反底）對組成的束縛态，非常難融解。但當把粒子放在QGP中時，會有大量誇克和膠子圍繞在誇克-反誇克周圍，所有的這些互相作用都會與粒子自身的誇克-反誇克互相作用競争。
這種“屏蔽”互相作用可以将粒子分解，讓其有效融解并抑制粒子的數量。但如果誇克和膠子仍然被限制在單個質子和中子内，它們就無法參與分解誇克-反誇克對的競争性互相作用。
在誇克-膠子等離子體（圖中背景）中，自由誇克和膠子會與構成粒子的底誇克和反底誇克互相作用。這張誇克-反誇克的屏蔽互相作用會讓粒子融解。（圖/STAR）
過去，科學家已經在QGP中，觀察了其他誇克-反誇克粒子的抑制，也就是由粲-反粲誇克對構成的J/ψ粒子，但粒子與J/ψ粒子并不同。這主要有兩個原因：首先，粒子不能在QGP中重新形成；其次，它們其實有三種類型。
粒子的優勢
我們可以首先了解一下這些粒子是如何形成的。粲誇克和底誇克及其反誇克在對撞中很早就産生了，甚至在QGP之前就産生了。在對撞瞬間，當對撞的金離子的動能沉積在一個微小的空間内時，它會引發許多物質和反物質粒子的産生，因為能量轉化成了品質。誇克和反誇克會搭檔形成粒子與J/ψ粒子，然後它們可以與新形成的QGP互相作用。
但由于制造較重的粒子需要更多能量，是以在這碗粒子湯中，較輕的粲誇克和反粲誇克，比更重的底誇克和反底誇克要多得多。這意味着，即使一些J/ψ粒子在QGP中融解後，其他粒子也可以繼續形成，因為粲誇克和反粲誇克在等離子體中找得到彼此。
由于較重的底誇克和反底誇克相對罕見，粒子的再次形成極少發生。可以這麼說，一旦一個粒子融解，它就消失了。這就意味着，對科學家來說，粒子的計數非常清晰，不會像J/ψ計數那樣被攪亂。
三類粒子的示意圖，從左到右分别是緊密結合的基态、中間結合态和最松散的結合态。（圖/STAR）
粒子的另一個優點是，與J/ψ粒子不同，它有三類，包括一個緊密結合的基态，和兩個不同的激發态，其中誇克-反誇克對的結合更松散。不難了解，綁得最緊的版本是最難拉開的，需要在更高的溫度下才能融解。這樣一來，就可以依賴這三類粒子的差異，建立起一個QGP溫度的範圍。
首次在RHIC進行測量
另一組科學家先前曾利用大型強子對撞機（LHC）的CMS探測器測量過粒子的順序融解，而此次研究人員是首次在RHIC上測量了三種粒子的抑制。
在新研究中，科學家并不會直接測量粒子，因為它們轉瞬即逝。相反，他們測量的是粒子的衰變産物。團隊研究了兩條衰變“通道”，一條衰變途徑會帶來電子-正電子對，它們由RHIC的STAR的電磁量能器接收，另一條衰變路徑則是正負μ子，它們會由STAR的μ子望遠鏡探測器追蹤到。
在這兩種情況下，通過重建衰變産物的動量和品質，就能确定它們是否來自一個粒子。而且，由于不同類型的粒子具有不同的品質，科學家也能将這三種類型區分開來。
在沒有誇克膠子等離子體的情況下（黃色柱狀圖）和在等離子體中（背景為QGP的橙色柱狀圖），基态（1s）和兩種不同的激發态（2s和3s）的相對豐度和粒子的産量的變化。在QGP中沒有3s狀态的粒子的産量，這意味着所有的3s的粒子可能已經融解。（圖/STAR）
他們發現了預期的模式。最緊密結合的基态的抑制或者說融解程度最低，位于中間的結合态的抑制程度比較高，而最松散的結合态基本沒有了粒子，這意味着，最後一組中所有粒子可能都已經融解了。但科學家也表示，對這種最高度激發的松散結合态，測量的不确定性水準也相當大。
令人期待的結果
這是μ子望遠鏡探測器最令人期待的結果。這台元件是專門為追蹤粒子而提出建造的，早在2005年就進行了規劃，于2010年開始建造，并在2014年RHIC運作前進行了安裝。
研究人員介紹，這是一項極具挑戰性的測量，但它也證明了STAR的μ子望遠鏡探測器項目是成功的。團隊将在未來幾年繼續使用這個探測器元件，收集更多資料，減少結果的不确定性。
通過測量粒子抑制或融解的水準，研究人員可以推斷出QGP的特性。研究人員雖然還不能根據這次測量準确地知道QGP的平均溫度是多少，但這次測量是在逐漸縮小目标範圍，以便更清楚地了解這種獨特的物質形式。
參考來源：
https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=121097
封面圖&首圖：STAR