近日，复旦大学马余刚院士团队和纽约州立大学石溪分校贾江涌教授团队合作在RHIC-STAR国际合作组首次基于高能重离子碰撞方法成像原子核结构并取得重要突破。
这项突破不仅对研究极端物态夸克胶子等离子体的性质至关重要，还为跨能量尺度研究原子核结构信息提供了新颖和独立的实验测量手段。相关研究成果于北京时间11月7日以“Imaging Shapes of Atomic Nuclei in High-Energy Nuclear Collisions”为题发表于《自然》（Nature）主刊。Nature同期在“新闻和观点” (News & Views)、“博客” (Podcast) 特评专栏等对该文进行亮点介绍和重点推介。
图1: 相对论重离子对撞机上铀-238原子核碰撞示意图
该成果基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机上的螺旋径迹探测器（RHIC-STAR）。如图1所示，研究人员将两束重离子加速至接近光速并使其发生对撞，从而产生退禁闭的夸克胶子等离子体（QGP）。普遍认为，该物质是对应于宇宙大爆炸之后几个微秒的存在形态，而夸克、胶子是物质的最微观层次，都是基本粒子。QGP流体经过膨胀冷凝和强子化后，产生大量末态强子。末态强子的动量空间多粒子关联与碰撞初始原子核的形状及核子的多体关联整体相关。这一过程类似高速摄像机的快门拍照，能够实现逆向瞬时成像原子核形状。
在《自然》论文中，马余刚院士团队与合作者在STAR实验组以接近球形的金核-金核碰撞为基准，精准成像原子核结构特征，定量提取了铀核-铀核碰撞中铀-238原子核的四极轴对称形变（β2）和三轴形变（γ）结构信息。
自 1911 年卢瑟福根据α粒子对原子散射实验建立原子核式结构以来，原子核的几何学形状、核内蕴含的基本相互作用力与动力学对称性一直是原子核有限多体量子系统及强作用统计物理研究的重要前沿课题之一。 原子核结构参数在低能核物理领域通过电子散射实验、库仑激发或激光光谱学等测量技术，与不同的核理论模型假设相结合共同获取，并在较长的时间尺度上测量原子核的整体形状。
相比之下，相对论重离子碰撞在成像原子核结构研究方面具有独特性。如图2所示，相对论能量下，原子核会发生洛伦兹收缩，相互作用持续时间为幺秒尺度（约 10-24 秒），远低于实验室系下原子核量子涨落的时间尺度 (约 10-21秒)，甚至比2023年诺贝尔物理学奖研究物质电子动力学的阿秒激光脉冲小六个量级。具有奇特结构的原子核在极端中心对撞区间会呈现不同的碰撞构型，这将影响初态能量沉积以及能量密度分布在QGP几何空间中的各向异性分布。
图2: 低能测量和高能重离子碰撞研究原子核结构方法示意图
该实验同时研究了末态强子的集体流等三种不同的软探针观测量，并通过大规模超算中心的计算，比较了两种不同的流体动力学模型，精确约束并定量提取了铀-238原子核的四极轴对称形变和轴对称破缺三轴形变的大小。
如图3所示，研究结果揭示了铀-238原子核基态具有较大的椭球形轴对称四极形变，这一研究发现与传统的低能实验测量和理论研究基本一致，为成像原子核结构提供了一种全新方法。
图3: 铀-238原子核四极轴对称形变（β2）和轴对称破缺三轴形变（γ）的实验测量及模型比较
此外，该研究证实铀-238具有微小的轴对称破缺三轴形变自由度。这项跨能量尺度的原子核结构研究，有助于探讨核合成、核裂变及无中微子双贝塔衰变等重大基础科学问题，推动高能重离子碰撞、低能核物理和核天体物理交叉领域的发展，并深化人们对夸克胶子等离子体初态几何、原子核基本性质和宇宙元素起源等基本科学问题的理解，还为约束和改进核理论模型及其计算精度提供重要参考。
将来，该论文中使用的研究方法可应用于欧洲核子中心LHC、下一代核物理大科学装置-美国电子离子对撞机EIC、我国强流重离子加速器装置 HIAF 等大科学装置的相关研究，有助于继续拓宽跨能量尺度原子核物理的前沿交叉。
复旦大学张春健青年研究员和纽约州立大学石溪分校贾江涌教授等研究人员主导了此《自然》实验研究。研究方法基于作者近年来在输运模型方面的理论工作，此前相关成果已陆续发表于3篇《物理评论快报》（PRL）。如今，后续的实验研究仍在持续进行，团队正在创新发展新的实验观测量，结合低能核物理理论模型，高能相对论流体动力学和输运模型，继续在实验和理论层面深入研究原子核高阶形变、中子皮、集团结构等原子核结构特征。
该工作得到了国家自然科学基金委及其理论物理专款-上海核物理理论研究中心、科技部、教育部和复旦大学等支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08097-2