中國教育在線
近日，復旦大學(xue)馬余剛(gang)院士(shi)團隊和紐約州立(li)大學(xue)石溪分(fen)校賈(jia)江涌(yong)教授團隊合(he)作(zuo)在RHIC-STAR國(guo)際合(he)作(zuo)組(zu)首次基于高能重離子(zi)碰撞方法(fa)成像(xiang)原子(zi)核結構并取得重要突破。
這項(xiang)突(tu)破不(bu)僅對(dui)研(yan)究極(ji)端物態夸(kua)克(ke)膠(jiao)子等離子體的性質至關(guan)重要，還為跨能量(liang)尺度(du)研(yan)究原(yuan)子核結(jie)構信息(xi)提供了新穎和(he)(he)獨立的實驗測量(liang)手段。相關(guan)研(yan)究成果(guo)于(yu)北京(jing)時(shi)間11月7日以“Imaging Shapes of Atomic Nuclei in High-Energy Nuclear Collisions”為題發表于(yu)《自然》(Nature)主(zhu)刊。Nature同期在(zai)“新聞和(he)(he)觀點” (News & Views)、 “博客” (Podcast) 特評專欄等對(dui)該文(wen)進行亮點介紹和(he)(he)重點推介。
圖(tu)1: 相對(dui)論重(zhong)離子對(dui)撞機上鈾(you)-238原(yuan)子核碰撞示意圖(tu)
該成果基于(yu)美國布魯克(ke)海文國家實(shi)驗室相對論重(zhong)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)對撞(zhuang)機上的(de)(de)螺旋徑(jing)跡探測器(RHIC-STAR)。如圖1所示，研究人(ren)員將(jiang)兩束重(zhong)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)加(jia)速至(zhi)接近光速并使其發生(sheng)對撞(zhuang)，從而(er)產生(sheng)退(tui)禁(jin)閉的(de)(de)夸克(ke)膠子(zi)(zi)(zi)(zi)等離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)(ti)(QGP)。普(pu)遍認為(wei)，該物質是對應于(yu)宇宙大爆炸之后幾個(ge)微(wei)秒的(de)(de)存(cun)在(zai)形態，而(er)夸克(ke)、膠子(zi)(zi)(zi)(zi)是物質的(de)(de)最微(wei)觀(guan)層次，都是基本粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)。QGP流體(ti)(ti)經過膨(peng)脹冷凝和(he)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化(hua)后，產生(sheng)大量末態強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)。末態強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)動(dong)量空間多(duo)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)關(guan)聯(lian)與碰撞(zhuang)初(chu)始原子(zi)(zi)(zi)(zi)核的(de)(de)形狀及核子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)多(duo)體(ti)(ti)關(guan)聯(lian)整體(ti)(ti)相關(guan)。這一(yi)過程類似(si)高速攝像(xiang)機的(de)(de)快門拍照，能夠實(shi)現逆(ni)向瞬時(shi)成像(xiang)原子(zi)(zi)(zi)(zi)核形狀。
在(zai)《自然(ran)》論(lun)文中，馬余(yu)剛(gang)院士團隊與合作(zuo)者在(zai)STAR實驗(yan)組以接近球形的(de)金(jin)核(he)(he)-金(jin)核(he)(he)碰撞為基準，精(jing)準成(cheng)像原(yuan)子(zi)核(he)(he)結構特征，定量提取(qu)了鈾核(he)(he)-鈾核(he)(he)碰撞中鈾-238原(yuan)子(zi)核(he)(he)的(de)四極軸對稱形變(bian)(β2)和三軸形變(bian)(γ)結構信息。
自 1911 年盧瑟福(fu)根據α粒子(zi)(zi)(zi)對(dui)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)散(san)(san)射實驗建立原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核式結(jie)構以來，原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核的(de)(de)幾何學形狀、核內蘊含(han)的(de)(de)基本相互作(zuo)用力(li)與動力(li)學對(dui)稱性一直是原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核有限多體(ti)量子(zi)(zi)(zi)系統(tong)及強(qiang)作(zuo)用統(tong)計物(wu)理(li)研究的(de)(de)重要前沿課題之一。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核結(jie)構參數(shu)在(zai)低能核物(wu)理(li)領域通過電(dian)子(zi)(zi)(zi)散(san)(san)射實驗、庫侖激發或激光(guang)光(guang)譜學等(deng)測(ce)(ce)量技術，與不同的(de)(de)核理(li)論模型假設相結(jie)合共同獲取，并(bing)在(zai)較長的(de)(de)時間(jian)尺(chi)度上測(ce)(ce)量原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核的(de)(de)整體(ti)形狀。
相(xiang)比(bi)之下，相(xiang)對論重離子(zi)(zi)碰(peng)撞在(zai)成像原(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)結構(gou)研究方面具有(you)獨特(te)性。如圖2所示(shi)，相(xiang)對論能(neng)量下，原(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)會(hui)發生洛倫茲收縮，相(xiang)互(hu)作用持續(xu)時間(jian)為幺秒尺(chi)度(約(yue) 10-24 秒)，遠(yuan)低于(yu)實驗(yan)室(shi)系(xi)下原(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)量子(zi)(zi)漲落的(de)(de)時間(jian)尺(chi)度 (約(yue) 10-21 秒)，甚(shen)至比(bi)2023年(nian)諾貝(bei)爾物理(li)學(xue)(xue)獎研究物質電子(zi)(zi)動力學(xue)(xue)的(de)(de)阿秒激(ji)光(guang)脈沖小六個量級(ji)。具有(you)奇(qi)特(te)結構(gou)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)在(zai)極(ji)端(duan)中心(xin)對撞區間(jian)會(hui)呈現不同的(de)(de)碰(peng)撞構(gou)型，這將影響初態能(neng)量沉(chen)積以及能(neng)量密度分(fen)(fen)布在(zai)QGP幾(ji)何空間(jian)中的(de)(de)各向異性分(fen)(fen)布。
圖2: 低能(neng)測量(liang)和高(gao)能(neng)重離(li)子碰撞研究(jiu)原(yuan)子核結構方法示意圖
該實驗同時(shi)研(yan)究了末態強子的集體流等三種(zhong)(zhong)不同的軟(ruan)探針觀(guan)測量(liang)(liang)，并(bing)通過大(da)規(gui)模超算中(zhong)心的計(ji)算，比(bi)較了兩種(zhong)(zhong)不同的流體動(dong)力學(xue)模型，精(jing)確約束并(bing)定量(liang)(liang)提取了鈾-238原子核(he)的四(si)極(ji)軸(zhou)對(dui)稱形變(bian)(bian)和軸(zhou)對(dui)稱破缺(que)三軸(zhou)形變(bian)(bian)的大(da)小。
如圖3所示，研(yan)究結果(guo)揭示了(le)鈾-238原子核(he)基態(tai)具有較大(da)的橢球形(xing)軸(zhou)對稱四極形(xing)變，這一研(yan)究發現與(yu)傳(chuan)統的低能實驗測(ce)量和(he)理論研(yan)究基本(ben)一致，為成像(xiang)原子核(he)結構(gou)提供了(le)一種全新方法。
圖3: 鈾(you)-238原子核四極(ji)軸(zhou)(zhou)對稱形變(bian)(bian)(β2)和軸(zhou)(zhou)對稱破缺三軸(zhou)(zhou)形變(bian)(bian)(γ)的(de)實驗測量及模型比較
此外(wai)，該研(yan)究證實鈾-238具(ju)有微(wei)小(xiao)的(de)(de)軸對稱破缺三軸形(xing)變自由度(du)。這項跨(kua)能(neng)量尺度(du)的(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)(he)結構研(yan)究，有助于(yu)探討核(he)(he)合(he)成(cheng)、核(he)(he)裂變及無中微(wei)子(zi)雙貝塔衰變等重(zhong)大基礎科(ke)學問題，推動高能(neng)重(zhong)離(li)子(zi)碰撞、低能(neng)核(he)(he)物(wu)理(li)(li)(li)和(he)核(he)(he)天體物(wu)理(li)(li)(li)交叉(cha)領域(yu)的(de)(de)發(fa)展，并(bing)深化人們(men)對夸克膠子(zi)等離(li)子(zi)體初(chu)態幾何、原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)(he)基本性質(zhi)和(he)宇宙元素起源等基本科(ke)學問題的(de)(de)理(li)(li)(li)解，還為約(yue)束和(he)改(gai)進核(he)(he)理(li)(li)(li)論模型及其計算精度(du)提供重(zhong)要參(can)考。
將來，該論文(wen)中(zhong)使用的研究方法可(ke)應用于(yu)歐洲核子(zi)中(zhong)心LHC、下一(yi)代核物理(li)大科學裝置(zhi)-美(mei)國(guo)電子(zi)離(li)(li)子(zi)對撞(zhuang)機EIC、我國(guo)強流重離(li)(li)子(zi)加(jia)速器裝置(zhi) HIAF 等大科學裝置(zhi)的相關研究，有(you)助于(yu)繼續拓寬跨能量(liang)尺度原子(zi)核物理(li)的前沿交叉。
復旦大學張(zhang)春健青年研(yan)究(jiu)(jiu)員和(he)紐(niu)約州立大學石溪分校賈江(jiang)涌(yong)教授等(deng)研(yan)究(jiu)(jiu)人員主導了此《自然(ran)》實驗研(yan)究(jiu)(jiu)。研(yan)究(jiu)(jiu)方法基于作者近(jin)年來在(zai)輸(shu)運(yun)模(mo)型方面(mian)的理論工作，此前(qian)相關成果已陸續發表于3篇《物(wu)理評(ping)論快報》(PRL)。如今(jin)，后(hou)續的實驗研(yan)究(jiu)(jiu)仍在(zai)持續進行，團(tuan)隊正在(zai)創新(xin)發展新(xin)的實驗觀測量，結(jie)(jie)合低(di)能(neng)核物(wu)理理論模(mo)型，高能(neng)相對論流體動力學和(he)輸(shu)運(yun)模(mo)型，繼續在(zai)實驗和(he)理論層面(mian)深(shen)入研(yan)究(jiu)(jiu)原子核高階形(xing)變、中子皮、集團(tuan)結(jie)(jie)構(gou)等(deng)原子核結(jie)(jie)構(gou)特征(zheng)。
該工(gong)作得到了(le)國家自(zi)然科(ke)學基金(jin)委及其理(li)論物(wu)理(li)專款-上海核物(wu)理(li)理(li)論研究(jiu)中心、科(ke)技部、教育(yu)部和(he)復旦大學等支持。
論文鏈接：
//www.nature.com/articles/s41586-024-08097-2
① 凡本(ben)站(zhan)(zhan)注明“稿(gao)件來(lai)源：中(zhong)國教育在線(xian)”的所(suo)有(you)文(wen)字、圖片(pian)和音視(shi)頻稿(gao)件，版權(quan)均(jun)屬(shu)本(ben)網所(suo)有(you)，任何媒(mei)體(ti)、網站(zhan)(zhan)或個人未經(jing)本(ben)網協議授權(quan)不得轉(zhuan)載、鏈接(jie)、轉(zhuan)貼或以其他方(fang)式復制發(fa)表。已(yi)經(jing)本(ben)站(zhan)(zhan)協議授權(quan)的媒(mei)體(ti)、網站(zhan)(zhan)，在下載使用時(shi)必(bi)須(xu)注明“稿(gao)件來(lai)源：中(zhong)國教育在線(xian)”，違(wei)者本(ben)站(zhan)(zhan)將依法追究責任。
② 本站注明(ming)稿(gao)件(jian)來(lai)源為其(qi)他媒體的文/圖等稿(gao)件(jian)均為轉載(zai)稿(gao)，本站轉載(zai)出于非商業性(xing)的教育和(he)科(ke)研之目的，并(bing)不意味著贊同其(qi)觀點(dian)或(huo)證實其(qi)內(nei)容的真實性(xing)。如(ru)轉載(zai)稿(gao)涉及(ji)版權等問題，請(qing)作者在兩周內(nei)速來(lai)電(dian)或(huo)來(lai)函聯系。