近日，復(fù)旦大學(xué)馬余剛院士團(tuán)隊(duì)和紐約州立大學(xué)石溪分校賈江涌教授團(tuán)隊(duì)合作在RHIC-STAR國(guó)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(xiàng)突破不僅對(duì)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(dú)立的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段。相關(guān)研究成果于北京時(shí)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(diǎn)” (News & Views)、 “博客” (Podcast) 特評(píng)專欄等對(duì)該文進(jìn)行亮點(diǎn)介紹和重點(diǎn)推介。

圖1: 相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)上鈾-238原子核碰撞示意圖

　　該成果基于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)上的螺旋徑跡探測(cè)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(duì)撞，從而產(chǎn)生退禁閉的夸克膠子等離子體(QGP)。普遍認(rèn)為，該物質(zhì)是對(duì)應(yīng)于宇宙大爆炸之后幾個(gè)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(guò)膨脹冷凝和強(qiáng)子化后，產(chǎn)生大量末態(tài)強(qiáng)子。末態(tài)強(qiáng)子的動(dòng)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(guò)程類(lèi)似高速攝像機(jī)的快門(mén)拍照，能夠?qū)崿F(xiàn)逆向瞬時(shí)成像原子核形狀。

　　在《自然》論文中，馬余剛院士團(tuán)隊(duì)與合作者在STAR實(shí)驗(yàn)組以接近球形的金核-金核碰撞為基準(zhǔn)，精準(zhǔn)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(duì)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(duì)原子散射實(shí)驗(yàn)建立原子核式結(jié)構(gòu)以來(lái)，原子核的幾何學(xué)形狀、核內(nèi)蘊(yùn)含的基本相互作用力與動(dòng)力學(xué)對(duì)稱性一直是原子核有限多體量子系統(tǒng)及強(qiáng)作用統(tǒng)計(jì)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(guò)電子散射實(shí)驗(yàn)、庫(kù)侖激發(fā)或激光光譜學(xué)等測(cè)量技術(shù)，與不同的核理論模型假設(shè)相結(jié)合共同獲取，并在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上測(cè)量原子核的整體形狀。

　　相比之下，相對(duì)論重離子碰撞在成像原子核結(jié)構(gòu)研究方面具有獨(dú)特性。如圖2所示，相對(duì)論能量下，原子核會(huì)發(fā)生洛倫茲收縮，相互作用持續(xù)時(shí)間為幺秒尺度(約 10-24 秒)，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室系下原子核量子漲落的時(shí)間尺度 (約 10-21 秒)，甚至比2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)研究物質(zhì)電子動(dòng)力學(xué)的阿秒激光脈沖小六個(gè)量級(jí)。具有奇特結(jié)構(gòu)的原子核在極端中心對(duì)撞區(qū)間會(huì)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(cè)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(shí)驗(yàn)同時(shí)研究了末態(tài)強(qiáng)子的集體流等三種不同的軟探針觀測(cè)量，并通過(guò)大規(guī)模超算中心的計(jì)算，比較了兩種不同的流體動(dòng)力學(xué)模型，精確約束并定量提取了鈾-238原子核的四極軸對(duì)稱形變和軸對(duì)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(duì)稱四極形變，這一研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的低能實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)稱形變(β2)和軸對(duì)稱破缺三軸形變(γ)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量及模型比較

　　此外，該研究證實(shí)鈾-238具有微小的軸對(duì)稱破缺三軸形變自由度。這項(xiàng)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(wú)中微子雙貝塔衰變等重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，推動(dòng)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(duì)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(xué)問(wèn)題的理解，還為約束和改進(jìn)核理論模型及其計(jì)算精度提供重要參考。

　　將來(lái)，該論文中使用的研究方法可應(yīng)用于歐洲核子中心LHC、下一代核物理大科學(xué)裝置-美國(guó)電子離子對(duì)撞機(jī)EIC、我國(guó)強(qiáng)流重離子加速器裝置 HIAF 等大科學(xué)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(fù)旦大學(xué)張春健青年研究員和紐約州立大學(xué)石溪分校賈江涌教授等研究人員主導(dǎo)了此《自然》實(shí)驗(yàn)研究。研究方法基于作者近年來(lái)在輸運(yùn)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(píng)論快報(bào)》(PRL)。如今，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究仍在持續(xù)進(jìn)行，團(tuán)隊(duì)正在創(chuàng)新發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量，結(jié)合低能核物理理論模型，高能相對(duì)論流體動(dòng)力學(xué)和輸運(yùn)模型，繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)和理論層面深入研究原子核高階形變、中子皮、集團(tuán)結(jié)構(gòu)等原子核結(jié)構(gòu)特征。

　　該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)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(fù)旦大學(xué)等支持。

　　論文鏈接：

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