近日，復旦大學馬余剛院士團隊和紐約州立大學石溪分校賈江涌教授團隊合作，在RHIC-STAR國際合作組首次基于高能重離子碰撞方法成像原子核結構并取得重要突破。
這項突破不僅對研究極端物態夸克膠子等離子體的性質至關重要，還為跨能量尺度研究原子核結構信息提供了新穎和獨立的實驗測量手段。相關研究成果于北京時間11月7日發表于《自然》（Nature）主刊。Nature同期在“新聞和觀點”(News&Views)、“博客”（Podcast）特評專欄等對該文進行亮點介紹和重點推介。
該成果基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機上的螺旋徑跡探測器（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生對撞，從而產生退禁閉的夸克膠子等離子體（QGP）。普遍認為，該物質是對應于宇宙大爆炸之后幾個微秒的存在形態，而夸克、膠子是物質的最微觀層次，都是基本粒子。QGP流體經過膨脹冷凝和強子化后，產生大量末態強子。末態強子的動量空間多粒子關聯與碰撞初始原子核的形狀及核子的多體關聯整體相關。這一過程類似高速攝像機的快門拍照，能夠實現逆向瞬時成像原子核形狀。
在《自然》論文中，馬余剛院士團隊與合作者在STAR實驗組以接近球形的金核-金核碰撞為基準，精準成像原子核結構特征，定量提取了鈾核-鈾核碰撞中鈾-238原子核的四極軸對稱形變和三軸形變結構信息。
自 1911年盧瑟福根據α粒子對原子散射實驗建立原子核式結構以來，原子核的幾何學形狀、核內蘊含的基本相互作用力與動力學對稱性一直是原子核有限多體量子系統及強作用統計物理研究的重要前沿課題之一。原子核結構參數在低能核物理領域通過電子散射實驗、庫侖激發或激光光譜學等測量技術，與不同的核理論模型假設相結合共同獲取，并在較長的時間尺度上測量原子核的整體形狀。
相比之下，相對論重離子碰撞在成像原子核結構研究方面具有獨特性。如圖2所示，相對論能量下，原子核會發生洛倫茲收縮，相互作用持續時間為幺秒尺度（約 10-24秒），遠低于實驗室系下原子核量子漲落的時間尺度（約 10-21秒），甚至比2023年諾貝爾物理學獎研究物質電子動力學的阿秒激光脈沖小六個量級。具有奇特結構的原子核在極端中心對撞區間會呈現不同的碰撞構型，這將影響初態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。
該實驗同時研究了末態強子的集體流等三種不同的軟探針觀測量，并通過大規模超算中心的計算，比較了兩種不同的流體動力學模型，精確約束并定量提取了鈾-238原子核的四極軸對稱形變和軸對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用于歐洲核子中心LHC、下一代核物理大科學裝置-美國電子離子對撞機EIC、我國強流重離子加速器裝置 HIAF 等大科學裝置的相關研究，有助于繼續拓寬跨能量尺度原子核物理的前沿交叉。
如今，后續的實驗研究仍在持續進行，團隊正在創新發展新的實驗觀測量，結合低能核物理理論模型，高能相對論流體動力學和輸運模型，繼續在實驗和理論層面深入研究原子核高階形變、中子皮、集團結構等原子核結構特征。
