大型强子对撞机终于揭开脆弱物质形成之谜

在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）中，质子碰撞产生的温度比太阳核心高10万倍以上。多年来，研究人员一直不明白氘核和反氘核这类脆弱粒子如何能在如此剧烈的高温环境中存在。氘核仅包含一个质子和一个中子，由相对较弱的力结合在一起。在这种极端条件下，如此轻的原子核几乎应该瞬间解体，但实验却不断检测到它们的存在。如今，研究人员发现，约90%观测到的（反）氘核是通过这种新发现的过程形成的，而非在初始碰撞中幸存下来。

### 对强相互作用的新认识
慕尼黑工业大学（TUM）粒子物理学家劳拉·法比耶蒂教授（ORIGINS卓越集群和协作研究中心1258（SFB1258）成员）强调了这一发现的重要性。她说：“我们的结果是朝着更好地理解‘强相互作用’迈出的重要一步——强相互作用是将质子和中子结合在原子核内的基本力。测量结果清楚地表明：轻原子核并非在碰撞初期的高温阶段形成，而是在稍后条件变得稍冷、更稳定时形成。”

慕尼黑工业大学自然科学学院法比耶蒂教授“致密与奇异强子物质”教席的研究员马克西米利安·马莱因博士补充道，这些发现具有更广泛的意义。“我们的发现不仅对基础核物理研究意义重大。轻原子核也在宇宙中形成——例如在宇宙射线的相互作用中。它们甚至可能为仍神秘的暗物质提供线索。借助我们的新发现，可以改进这些粒子形成的模型，并更可靠地解读宇宙数据。”

### CERN与大型强子对撞机
欧洲核子研究中心（CERN，全称为Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire）是世界上最大的粒子物理研究中心。它位于日内瓦附近的瑞士和法国边境，拥有LHC——一个27公里长的地下环形加速器。在LHC内部，质子以接近光速的速度相撞。这些碰撞重现了类似于大爆炸后不久的条件，达到了当今其他地方不存在的温度和能量。这使科学家能够研究最基本层面的物质并检验自然的基本定律。

### ALICE实验与物质的诞生
LHC的关键实验之一是ALICE（大型离子对撞机实验），其重点是理解将原子核结合在一起的强相互作用。ALICE的作用就像一台巨大的相机，能够追踪并重建单次碰撞中产生的多达2000个粒子。通过这种方式，研究人员旨在重现宇宙最早的时刻，了解夸克和胶子的高温混合物如何最终形成稳定的原子核，并最终形成所有物质。

### 探索宇宙起源与基本力
ORIGINS卓越集群研究宇宙及其结构（从星系、恒星到行星及生命基本组成部分）的形成过程。其研究路径从早期宇宙中最小的粒子延伸到生物系统的发展，包括寻找可能支持地球以外生命的环境，以及更深入地了解暗物质。2025年5月，由慕尼黑工业大学和慕尼黑大学（LMU）联合提议的ORIGINS第二期资助计划在德国“卓越战略”下获得批准。

协作研究中心“天体物理和粒子物理中的中微子与暗物质”（SFB 1258）专注于基础物理问题，特别关注弱相互作用——自然界四种基本力之一。SFB 1258的第三期资助已于2025年1月启动。