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。
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。
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。
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。
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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08097-2
