近日，恒行2平台馬余剛院士團隊和紐約州立大學石溪分校賈江湧教授團隊合作在RHIC-STAR國際合作組首次基於高能重離子碰撞方法成像原子核結構並取得重要突破。
這項突破不僅對研究極端物態誇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。相關研究成果於北京時間11月7日以“Imaging Shapes of Atomic Nuclei in High-Energy Nuclear Collisions”為題發表於《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。
該成果基於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）🌴。如圖所示，研究人員將兩束重離子加速至接近光速並使其發生對撞，從而產生退禁閉的誇克膠子等離子體（QGP）。普遍認為，該物質是對應於宇宙大爆炸之後幾個微秒的存在形態，而誇克📟、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後，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（β2）和三軸形變（γ）結構信息。
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🧝🏽♂️🧘🏿♀️，並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，精確約束並定量提取了鈾-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。
研究結果揭示了鈾-238原子核基態具有較大的橢球形軸對稱四極形變🌭，這一研究發現與傳統的低能實驗測量和理論研究基本一致，為成像原子核結構提供了一種全新方法✧📭。
此外🤾🏽，該研究證實鈾-238具有微小的軸對稱破缺三軸形變自由度。這項跨能量尺度的原子核結構研究，有助於探討核合成、核裂變及無中微子雙貝塔衰變等重大基礎科學問題🧑🏼🚀，推動高能重離子碰撞、低能核物理和核天體物理交叉領域的發展🚴🏽♂️，並深化人們對誇克膠子等離子體初態幾何、原子核基本性質和宇宙元素起源等基本科學問題的理解🥰，還為約束和改進核理論模型及其計算精度提供重要參考。
將來，該論文中使用的研究方法可應用於歐洲核子中心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，有助於繼續拓寬跨能量尺度原子核物理的前沿交叉。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08097-2
