科研進(jìn)展
科學(xué)家在重離子碰撞實(shí)驗中首次觀(guān)測到超核集體運動(dòng)
日前，中科院近代物理研究所等機構的科研人員參與RHIC-STAR國際合作實(shí)驗研究，首次在重離子碰撞實(shí)驗中觀(guān)測到超核的集體運動(dòng)。該成果為研究致密核物質(zhì)環(huán)境中的超核-核子相互作用開(kāi)啟了一個(gè)新的方向，相關(guān)成果于5月24日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜志上。
超子是包含有奇異夸克（s）的重子，核子（質(zhì)子和中子的統稱(chēng)）中只包含有上夸克（u）和下夸克（d）。超子和核子可以形成束縛態(tài)，人們稱(chēng)之為“超核”。理論預言宇宙中的致密天體——中子星的內部存在超子。然而，超子的出現將軟化核物質(zhì)狀態(tài)方程，這給理論上構建大質(zhì)量的中子星帶來(lái)了挑戰，被稱(chēng)為中子星研究中的 “超子謎題”。
實(shí)驗上測量致密核介質(zhì)中的超子-核子相互作用強度，是解決“超子謎題”的關(guān)鍵步驟，同時(shí)對于理解強相互作用的理論——量子色動(dòng)力學(xué)具有重要意義。超核集體運動(dòng)實(shí)驗測量數據可用于提取致密核介質(zhì)中的超子-核子相互作用，有可能解決“超子謎題”。
高能重離子碰撞是在實(shí)驗室產(chǎn)生和研究致密核物質(zhì)性質(zhì)的獨特工具。重離子碰撞過(guò)程中，粒子由于致密核物質(zhì)內部壓強梯度會(huì )產(chǎn)生集體運動(dòng)（集體流），如直接流、橢圓流等。在實(shí)驗中，科學(xué)家們已經(jīng)觀(guān)測到介子、重子、輕核的集體流。由于實(shí)驗上產(chǎn)生的超核非常稀有，此前超核集體流測量研究尚屬空白。
研究人員基于美國布魯克海文國家實(shí)驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）裝置上的STAR實(shí)驗3GeV金-金碰撞數據，重建得到約8400個(gè)超氚（由一個(gè)Λ超子、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子構成）和約5200個(gè)超氫-4（由一個(gè)Λ超子、一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構成）。這是目前實(shí)驗上觀(guān)測到的最大統計量的超氚和超氫4數據樣本。
研究團隊首次在實(shí)驗上觀(guān)測到了這些超核具有顯著(zhù)的直接流。同時(shí)，他們還提取了超核和輕核直接流在中心快度區域的斜率。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現，輕核與超核的直接流斜率都存在一個(gè)相似的質(zhì)量標度律，這意味著(zhù)超核和輕核在重離子碰撞中的產(chǎn)生都可以用“并和過(guò)程”來(lái)解釋。
這項工作為研究有限壓力下的超子-核子相互作用開(kāi)辟了一個(gè)新方向，對于建立核核碰撞和決定致密星體內部結構的狀態(tài)方程之間的聯(lián)系具有重要意義。
STAR是在RHIC上的重要國際實(shí)驗合作組，由來(lái)自14個(gè)國家、71個(gè)單位的七百余名科研人員組成。該工作由近代物理所張亞鵬研究員團隊主導完成，主要作者有來(lái)自近代物理所的胡晨露（在讀博士）、何熊宏副研究員和趙鳳儀助理研究員，以及美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的Dr. DONG Xin、Dr. JI Yuanjing和Dr. LEUNG Yue-Hang。
該工作得到了中科院戰略性先導科技專(zhuān)項（B類(lèi)）、中國科學(xué)院“西部之光”人才計劃、國家自然科學(xué)基金青年基金等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.212301
圖1：中子星是大質(zhì)量恒星生命盡頭塌縮形成的致密天體。高能重離子碰撞中的超核集體流可用于提取核介質(zhì)中的超子-核子相互作用和理解中子星的內部結構。(圖源/近代物理所）
圖2：STAR實(shí)驗3GeV金-金碰撞中，中心快度區直接流斜率（縱軸）與粒子的質(zhì)量（橫軸）之間的關(guān)聯(lián)圖。實(shí)心方框是最新觀(guān)測到超核/超子的結果，輕核（p、d、t、3He、4He）則用實(shí)心圓圈表示。淺綠色短線(xiàn)和點(diǎn)劃線(xiàn)分別為擬合了超核和輕核直接流斜率與質(zhì)量依賴(lài)關(guān)系后的結果。輸運模型結合并和過(guò)程，可以定性描述實(shí)驗結果。（圖源/Physical Review Letters）
(核物質(zhì)相結構室 供稿）
