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。
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)。這一過程類似高速攝像機(jī)的快門拍照，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)稱形變和三軸形變結(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，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。
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。
將來，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。
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。
