近日，復旦大學馬余剛院士團隊和紐約州立大學石溪分校賈江涌教授團隊合作在RHIC-STAR國際合作組首次基于高能重離子碰撞方法成像原子核結(jié)構(gòu)并取得重要突破。

　　這項突破不僅對研究極端物態(tài)夸克膠子等離子體的性質(zhì)至關(guān)重要，還為跨能量尺度研究原子核結(jié)構(gòu)信息提供了新穎和獨立的實驗測量手段。相關(guān)研究成果于北京時間11月7日以“Imaging Shapes of Atomic Nuclei in High-Energy Nuclear Collisions”為題發(fā)表于《自然》(Nature)主刊。Nature同期在“新聞和觀點” (News & Views)、 “博客” (Podcast) 特評專欄等對該文進行亮點介紹和重點推介。

圖1: 相對論重離子對撞機上鈾-238原子核碰撞示意圖

　　該成果基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機上的螺旋徑跡探測器(RHIC-STAR)。如圖1所示，研究人員將兩束重離子加速至接近光速并使其發(fā)生對撞，從而產(chǎn)生退禁閉的夸克膠子等離子體(QGP)。普遍認為，該物質(zhì)是對應于宇宙大爆炸之后幾個微秒的存在形態(tài)，而夸克、膠子是物質(zhì)的最微觀層次，都是基本粒子。QGP流體經(jīng)過膨脹冷凝和強子化后，產(chǎn)生大量末態(tài)強子。末態(tài)強子的動量空間多粒子關(guān)聯(lián)與碰撞初始原子核的形狀及核子的多體關(guān)聯(lián)整體相關(guān)。這一過程類似高速攝像機的快門拍照，能夠?qū)崿F(xiàn)逆向瞬時成像原子核形狀。

　　在《自然》論文中，馬余剛院士團隊與合作者在STAR實驗組以接近球形的金核-金核碰撞為基準，精準成像原子核結(jié)構(gòu)特征，定量提取了鈾核-鈾核碰撞中鈾-238原子核的四極軸對稱形變(β2)和三軸形變(γ)結(jié)構(gòu)信息。

　　自 1911 年盧瑟福根據(jù)α粒子對原子散射實驗建立原子核式結(jié)構(gòu)以來，原子核的幾何學形狀、核內(nèi)蘊含的基本相互作用力與動力學對稱性一直是原子核有限多體量子系統(tǒng)及強作用統(tǒng)計物理研究的重要前沿課題之一。原子核結(jié)構(gòu)參數(shù)在低能核物理領(lǐng)域通過電子散射實驗、庫侖激發(fā)或激光光譜學等測量技術(shù)，與不同的核理論模型假設相結(jié)合共同獲取，并在較長的時間尺度上測量原子核的整體形狀。

　　相比之下，相對論重離子碰撞在成像原子核結(jié)構(gòu)研究方面具有獨特性。如圖2所示，相對論能量下，原子核會發(fā)生洛倫茲收縮，相互作用持續(xù)時間為幺秒尺度(約 10-24 秒)，遠低于實驗室系下原子核量子漲落的時間尺度 (約 10-21 秒)，甚至比2023年諾貝爾物理學獎研究物質(zhì)電子動力學的阿秒激光脈沖小六個量級。具有奇特結(jié)構(gòu)的原子核在極端中心對撞區(qū)間會呈現(xiàn)不同的碰撞構(gòu)型，這將影響初態(tài)能量沉積以及能量密度分布在QGP幾何空間中的各向異性分布。

圖2: 低能測量和高能重離子碰撞研究原子核結(jié)構(gòu)方法示意圖

　　該實驗同時研究了末態(tài)強子的集體流等三種不同的軟探針觀測量，并通過大規(guī)模超算中心的計算，比較了兩種不同的流體動力學模型，精確約束并定量提取了鈾-238原子核的四極軸對稱形變和軸對稱破缺三軸形變的大小。

　　如圖3所示，研究結(jié)果揭示了鈾-238原子核基態(tài)具有較大的橢球形軸對稱四極形變，這一研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的低能實驗測量和理論研究基本一致，為成像原子核結(jié)構(gòu)提供了一種全新方法。

圖3: 鈾-238原子核四極軸對稱形變(β2)和軸對稱破缺三軸形變(γ)的實驗測量及模型比較

　　此外，該研究證實鈾-238具有微小的軸對稱破缺三軸形變自由度。這項跨能量尺度的原子核結(jié)構(gòu)研究，有助于探討核合成、核裂變及無中微子雙貝塔衰變等重大基礎科學問題，推動高能重離子碰撞、低能核物理和核天體物理交叉領(lǐng)域的發(fā)展，并深化人們對夸克膠子等離子體初態(tài)幾何、原子核基本性質(zhì)和宇宙元素起源等基本科學問題的理解，還為約束和改進核理論模型及其計算精度提供重要參考。

　　將來，該論文中使用的研究方法可應用于歐洲核子中心LHC、下一代核物理大科學裝置-美國電子離子對撞機EIC、我國強流重離子加速器裝置 HIAF 等大科學裝置的相關(guān)研究，有助于繼續(xù)拓寬跨能量尺度原子核物理的前沿交叉。

　　復旦大學張春健青年研究員和紐約州立大學石溪分校賈江涌教授等研究人員主導了此《自然》實驗研究。研究方法基于作者近年來在輸運模型方面的理論工作，此前相關(guān)成果已陸續(xù)發(fā)表于3篇《物理評論快報》(PRL)。如今，后續(xù)的實驗研究仍在持續(xù)進行，團隊正在創(chuàng)新發(fā)展新的實驗觀測量，結(jié)合低能核物理理論模型，高能相對論流體動力學和輸運模型，繼續(xù)在實驗和理論層面深入研究原子核高階形變、中子皮、集團結(jié)構(gòu)等原子核結(jié)構(gòu)特征。

　　該工作得到了國家自然科學基金委及其理論物理專款-上海核物理理論研究中心、科技部、教育部和復旦大學等支持。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-024-08097-2