通常，创造宇宙并不是大型强子对撞机 (LHC) 的工作。这个世界上最大的粒子加速器所进行的绝大多数艰苦的科学研究——例如，辨认和追踪希格斯玻色子——都是在它以接近光速的速度发射普通的质子时进行的。
但每年年底，LHC 会有大约一个月的时间将弹药从质子换成重约 208 倍的粒子：铅离子。
当 LHC 将这些离子相互碰撞时，科学家们——如果他们一切都准备妥当——就能一窥宇宙在大爆炸后几百万分之一秒时存在的短暂液滴。
这就是夸克-胶子等离子体的故事。拿一个原子，任何一个原子。剥去它旋转的电子云，露出它的核心——原子核。然后，将原子核精细地切成其基本组成部分：质子和中子。
当物理学家在 20 世纪初首次分裂原子核时，他们就只研究到这个程度。质子、中子和电子构成了宇宙的全部质量——嗯，还有一些短暂存在的带电粒子，比如μ子。但计算、原始的粒子加速器以及撞击地球大气的宇宙射线开始揭示出更多神秘的粒子：K介子、π介子、超子，以及其他听起来就像能赋予外星人超能力的粒子。
宇宙似乎呈现出如此多的基本成分，这显得有些不够优雅。物理学家很快就发现，其中一些粒子根本不是基本粒子，而是更微小粒子的组合，他们用一个部分受詹姆斯·乔伊斯《芬尼根的守灵夜》启发而来的词语命名它们：夸克。
夸克有六种不同的“味”，但可观测宇宙绝大部分由两种组成：上夸克和下夸克。一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成；一个中子，则由两个下夸克和一个上夸克组成。（其他四种，按质量和难捉摸程度递增的顺序排列：奇异夸克、粲夸克、美夸克和顶夸克。）
此时，成分列表就结束了。在我们的世界里，你通常无法将质子或中子分解成夸克；在大多数情况下，夸克无法独立存在。但到 20 世纪 70 年代，物理学家们想出了一个变通的方法：加热。在科学家称之为哈格登温度的点，这些亚原子粒子被还原成一种高能汤，由夸克和将它们粘合在一起的更微小的粒子：胶子组成。科学家们将这种汤命名为夸克-胶子等离子体 (QGP)。
这是一个诱人的配方，因为再次强调，夸克和胶子通常无法独立存在，而且从它们构成的较大粒子中重构它们非常困难。“如果我给你水，很难说出[氢和氧原子]的性质，”印度国家科学教育与研究中心和欧洲核子研究中心 (CERN) 的物理学家Bedangadas Mohanty说。“同样，我可以给你质子、中子、π介子……但如果你真的想研究夸克和胶子的性质，你需要让它们在一个盒子里，自由地存在。”
这不是一个可以在家用烤箱里尝试的配方。以我们日常生活的单位来衡量，强子系统中的温度大约是 3 万亿华氏度——比太阳中心还要热 10 万倍。最适合这项工作的设备是粒子加速器。
但不是任何粒子加速器都行。你需要用足够的能量来加速你的粒子。当科学家们开始制造 QGP 时，LHC 仅仅是遥远未来的一个梦想。取而代之的是，CERN 有一个旧的对撞机，其周长只有 LHC 的四分之一：超级质子同步加速器 (SPS)。
顾名思义，SPS 被设计用来将质子撞击固定靶。但到 20 世纪 80 年代末，科学家们决定尝试将质子换成重离子——铅核——看看他们能做什么。在 20 世纪 90 年代的一次又一次实验中，CERN 的研究人员认为他们看到了原子核发生了某种变化。
“令我们惊讶的是，即使在相对较低的能量下，我们也似乎正在制造夸克-胶子等离子体，”荷兰国家亚原子物理研究所和 CERN 的物理学家Marco van Leeuwen说。2000 年，他的团队声称他们获得了“令人信服的证据”。
在量子物质存在的短暂瞬间，物理学家们可以观察到等离子体在其所谓的“微型大爆炸”中显现。
大西洋彼岸，CERN 在长岛的布鲁克海文国家实验室的同行们也以同样的乐观和不确定性进行了尝试。当布鲁克海文的相对论性重离子对撞机 (RHIC) 启动时——这是一个专门设计用于制造 QGP 的设备——不确定性就消失了。
“RHIC 启动了，我们深入研究了夸克-胶子等离子体，”布鲁克海文国家实验室的物理学家James Dunlop说。
所以，今天世界上有两个主要的 QGP 工厂：CERN 和布鲁克海文。通过这对对撞机，在量子物质存在的短暂瞬间，物理学家们可以观察到等离子体在其所谓的“微型大爆炸”中显现。
穿越时空
你越接近大爆炸的时间，宇宙就越不像你熟悉的宇宙。在撰写本文时，詹姆斯·韦伯空间望远镜可能已经观测到了大爆炸后约 3.2 亿年的星系。再往前追溯，你会到达一个真正的黑暗时代——第一个恒星出现之前的时期，当时除了宇宙背景辐射几乎没有什么能照亮宇宙。
在这个阴影时代，天文学逐渐被亚原子物理学取代。再往前追溯，在大爆炸后仅 38 万年，电子才刚刚与原子核结合形成原子。继续往前追溯；宇宙越来越小、越密集、越热。大爆炸后的几秒钟，质子和中子还没有结合形成比氢更复杂的原子核。
再往前追溯——大约在大爆炸后百万分之一秒——宇宙的温度足以使夸克和胶子保持分离。物理学家们正在试图创造的就是这样一个微观宇宙。
物理学家们在像俯瞰 CERN 游客中心那样极具现代主义风格的办公楼里琢磨着那个宇宙。从这栋楼的窗户望出去，你可能会看到日内瓦一条电车线的终点站。科尔纳万火车站，这座城市的主要火车站，只有 20 分钟的路程。
CERN 的物理学家Urs Wiedemann和Federico Antinori在他们的办公室里见了面。Wiedemann 是理论物理学家，而 Antinori 是实验物理学家，负责管理重离子碰撞运行。研究 QGP 需要两者的才能。
“夸克-胶子等离子体的存在我们已经确定，”Antinori 说。“最有趣的是理解它是什么样的‘动物’。”
例如，他们第一批制造 QGP 的同事们曾期望找到一种类似气体的物质。然而，QGP 的行为更像液体。事实上，QGP 的行为被称作完美液体，几乎没有粘度。（是的，极早期宇宙可能短暂地像一种过热的海洋。许多创世神话可能在粒子加速器中找到遥远的镜像。）
Antinori 和 Wiedemann 都特别对观察液体如何产生，观察原子核如何自行分裂感兴趣。一些科学家称这个过程为“相变”，仿佛制造 QGP 就像融化雪来制造液态水。但将质子和中子转化为 QGP 远不止是融化冰；它是一种向一个拥有根本不同物理定律的全新世界的转变。“我们所处的世界的对称性发生了变化，”Wiedemann 说。
这种转变在极早期宇宙中以相反的方式发生，当它冷却到哈格登温度以下时。夸克和胶子聚集在一起，形成了质子和中子，它们反过来又形成了我们今天所熟知的原子。
但物理学家们在用数学理解这个过程时遇到了困难。他们通过在实验室中检查 QGP 碰撞来接近理解。
QGP 也是强核力的实验室。强核力是宇宙的四种基本力之一——与引力、电磁力和控制某些放射性过程的弱核力并列——强核力是将粒子束缚在原子核心中的力量。QGP 名称中的胶子就是强核力的工具。没有它们，带电粒子会因电磁斥力而相互排斥，原子也会分崩离析。
然而，虽然我们对引力和电磁力了解很多，但强核力的内部运作仍然是个谜。此外，科学家们希望了解强核力所起的作用。
“你可以说，‘我理解电子如何与光子相互作用’，”Wiedemann 说，“但这并不意味着你理解激光是如何工作的。这不意味着你知道为什么这张桌子不会散架。”
同样，为了理解这些，他们必须将重离子碰撞在一起。
有了 SPS 这样的设备，科学家们可以观察到 QGP 液滴并确认它们的存在。但如果他们想真正深入其中，观察它们的性质运作——去检查它们——他们就需要更强大的东西。
“很明显，”Antinori 说，“我们必须达到比 SPS 所能提供的更高的能量。”
宇宙制造机
穿过 CERN 的校园进入法国，你无法分辨出这个在汝拉山脉优雅庇护下的宁静美好的山谷，其实坐落在一个长达 17 英里的超导磁体和钢环之上。环形路上散布着不同的实验和探测器。寻找 QGP 的总部就设在一个这样的探测器中。
通往那里的道路穿过闪闪发光的圣热尼-普伊村，许多 CERN 的员工都住在这里。在田园诗般的郊区，坐落着一簇工业化的立方体建筑和冷却塔。
除了俯瞰停车场的一面波纹金属外墙上的壁画，这个综合体并没有真正宣传这就是科学家们寻找 QGP 的地方——其中一座仓库式建筑是名为A Large Ion Collider Experiment (ALICE) 的大型离子对撞机实验的外壳。
CERN 物理学家Nima Zardoshti在壁画下迎接我：ALICE 的探测器，QGP 的观察者，被描绘在一幅粉彩壁画上。Zardoshti 领我进去，经过一个看起来像月球着陆纪录片中的控制室，绕过一个覆盖着金属板的角落，然后走到一个悬崖边。下面有几层楼高，上面覆盖着混凝土防护罩。“这种混凝土可以阻止辐射，”他解释说。
在其下方，视线无法触及的地方，是真正的设备——一个相当于小型建筑大小、重量几乎与埃菲尔铁塔相当的机器。探测器位于地下 180 英尺以上，可以通过矿井升降机到达。在 LHC 运行时，除了 CERN 的消防部门，任何人都不允许下到那里，因为一旦有任何放射性或危险材料燃烧，消防部门需要迅速介入。
在该机器内部碰撞的重离子并非源自这座建筑。几英里外是旧的 SPS，它已被改造成 LHC 的第一步。SPS 将铅核束加速到接近光速。一旦准备就绪，较短的对撞机就会将它们注入较长的对撞机。
但与 SPS 不同，LHC 不进行固定靶实验。相反，ALICE 创建了一个磁挤压，将两个方向相反的铅束诱导成猛烈地正面碰撞。
铅离子是很好的组成部分。一个铅-208 离子有 82 个质子和 126 个中子，这两者都是“魔数”，有助于使原子核尽可能地呈球形。球形原子核能产生更好的碰撞。（大西洋彼岸，布鲁克海文的 RHIC 使用金离子。）
ALICE 的探测器不是相机；QGP 不像一个你可以“看到”的光球。当这些铅离子以高能碰撞时，它们会爆发成 QGP 的闪光，然后消散成一团由更小粒子组成的完美风暴。探测器不是观察光，而是观察粒子在级联散开时的样子。
一次质子-质子碰撞可能会产生几十个粒子——如果物理学家运气好的话，可能会有一百个。重离子碰撞则会产生数千个粒子。
当重离子碰撞时，它们会产生 QGP 的闪光和更“正常”粒子的尖锐喷流：通常是重夸克（如粲夸克和美夸克）的组合。这些喷流在到达探测器之前穿透 QGP。物理学家可以通过检查这些喷流以及它们穿过 QGP 时的变化来重建 QGP 的样子。
首先，这些粒子会穿过硅芯片，类似于你智能手机中的像素。然后，粒子会穿过一个时间投影室：一个充满气体的圆柱体。它们仍然以高能飞行，像流星穿过高层大气一样穿过气体原子。它们会将电子从原子中撞击出来，留下清晰的轨迹，供探测器捕捉。
对于粒子物理设备爱好者来说，时间投影室让 ALICE 与众不同。“它非常有用，但缺点是，也是为什么其他实验不使用它的原因，是它非常慢，”Zardoshti 说。“我认为这个过程大约需要百万分之一秒。”
ALICE 每秒会产生约 3.5 TB 的数据——大约相当于三部完整长度的故事片。物理学家们处理这些数据来重建产生这些粒子的 QGP。大部分数据在此处处理，但也有很多数据是通过一个庞大的全球计算机网络进行处理的。
从粒子加速器到中子星
粒子物理学是一个总是将一只脚迈向几十年未来的领域。虽然 ALICE 于 2010 年投入运行，但物理学家们早在 20 世纪 90 年代初就开始绘制其蓝图，甚至在科学家们尚未探测到 QGP 之前就已经开始了。
他们目前的一个重大问题是，他们能否通过撞击比铅或金小的离子来制造 QGP。他们已经用氙成功了；今年晚些时候，他们想尝试使用像氧气这样更稀疏的物质。“我们想看看：我们制造这种材料的转变点在哪里？”Zardoshti 说。“氧气是否已经太轻了？”他们预计这种生命必需的元素会起作用。但在粒子物理学领域，在事情发生之后才能确切知道。
长远来看，ALICE 的负责人有宏伟的计划。2025 年之后，LHC 将关闭数年进行维护和升级，这将提高对撞机的能量。与这些升级一起，ALICE 的探测器也将进行全面翻新，计划最早于 2033 年安装。所有这些都已提前多年精确规划。
CERN 的负责人正大胆地为更遥远的未来设计一台设备——一个未来环形对撞机，其规模将是 LHC 的三倍多，并且要到 2050 年代才能投入使用。目前尚不确定它是否会实现；如果实现，它将需要获得超过 200 亿欧元的投资。
更高的能量、更大的对撞机和更灵敏的探测器，都为 QGP 观察者们提供了更强大的武器。他们正在寻找的粒子非常微小且寿命极短，他们需要这些工具来看到更多它们。
但是，虽然粒子物理学家已经花费了数十亿欧元和数十年的努力，将早期宇宙的碎片带回现实，但一些天体物理学家认为宇宙可能也在展现出同样的雄心。
宇宙可以利用一个比粒子加速器更强大的设备：中子星。
当一颗比太阳质量大得多的巨大恒星以壮观的超新星结束其生命时，留下的核心碎片开始坍塌。核心不能太大，否则它会坍缩成黑洞。但如果质量恰到好处，核心就会达到可能将原子核撕裂成夸克的压力和温度。这就像在更自然的环境中，以某种规模进行的 ALICE 实验——在那个一切开始的狂野宇宙中。
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