两枚铀核碰撞产生的带电粒子轨迹艺术图与相对论重离子对撞机 (RHIC) 的 STAR 探测器草图重叠。图中放大的入射铀核沿光束方向收缩，展示了接近光速传播的效果。通过分析许多此类碰撞产生的粒子流模式，科学家可以重建原始碰撞核的形状。图片来源：复旦大学张春建和石溪大学贾江勇
科学家利用高能重离子碰撞作为有力的工具来揭示原子核结构的复杂细节，为各个物理学领域提供具有广泛影响的见解。
科学家们开发了一种新技术，利用相对论重离子对撞机 (RHIC) 的高能粒子碰撞，RHIC 是美国能源部 (DOE) 科学办公室位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的核物理研究用户设施。 《自然》杂志最近发表的一篇论文详细介绍了这种方法，该方法是对研究原子核结构的低能方法的补充。它提供了对原子核形状的更深入了解，增强了我们对可见物质构成要素的理解。
“在这项新测量方法中，我们不仅量化了原子核的整体形状(无论它是像足球一样拉长还是像橘子一样压扁)，而且还量化了微妙的三轴性，即三个主轴之间的相对差异，这些差异描述了‘足球’和‘橘子’之间的形状，”石溪大学(SBU)教授贾江永说道，他在布鲁克海文实验室兼职，也是STAR 合作出版物的主要作者之一。
解析原子核形状与一系列物理问题相关，包括哪些原子最有可能在核裂变中分裂，重原子元素在中子星碰撞中如何形成，以及哪些原子核可以为发现奇异粒子衰变指明方向。利用对原子核形状的深入了解，科学家还可以加深对粒子汤初始条件的理解，粒子汤模拟了早期宇宙，是在 RHIC 高能粒子碰撞中产生的。该方法可用于分析来自 RHIC 的其他数据以及从欧洲大型强子对撞机 (LHC) 的核碰撞中收集的数据。它还将与未来在电子-离子对撞机(布鲁克海文实验室设计阶段的核物理设施)上对原子核的探索有关。
归根结底，由于人类以及宇宙中所有恒星和行星所含的 99.9% 可见物质都存在于原子中心的原子核中，因此了解这些原子核组成部分是了解我们是谁的关键。
“展示在 RHIC 上获得的核物理知识的稳健性的最佳方式是展示我们可以将技术和物理见解应用到其他领域，”贾说。“现在我们已经展示了一种对核结构进行成像的稳健方法，它将有许多应用。”
从长时间曝光到定格快照
几十年来，科学家一直使用低能实验来推断原子核形状，例如，通过激发原子核并观察原子核衰变回到基态时发射的光子或光粒子。这种方法可以探测原子核内质子的整体空间排列，但只能在相对较长的时间尺度上进行。
韦恩州立大学理论学家沈春表示：“在低能量实验中，这就像拍摄一张长时间曝光的照片。”他的计算结果被用于新分析。
由于曝光时间较长，低能方法无法捕捉到原子核内质子排列在极短时间内发生的所有细微变化。而且由于大多数这些方法都使用电磁相互作用，因此它们无法直接“看到”原子核中不带电的中子。
“你只能得到整个系统的平均值，”密歇根州立大学稀有同位素束设施的低能理论学家 Dean Lee 说道。该设施是美国能源部科学办公室用户设施。尽管 Lee 和 Shen 不是这项研究的合著者，但他们和其他理论学家为开发这种新的核成像方法做出了贡献。
研究合著者江永佳和黄胜利站在 RHIC 的 STAR 探测器前。图片来源：Kevin Coughlin/布鲁克海文国家实验室
“高能成像方法可以捕捉许多定格快照，揭示有关质子和中子的信息，速度要快几个数量级，”前 SBU 博士后研究员、现为复旦大学初级教员、STAR 分析负责人张春建表示。
重要的是，RHIC 的 STAR 探测器拍摄的快照都来自不同的碰撞事件。
贾教授指出：“你无法一遍又一遍地对同一个原子核进行成像，因为它们在碰撞中被摧毁了。”但通过查看来自许多不同碰撞的整个图像集合，科学家可以重建被撞击原子核的三维结构的微妙特性。
正如李所解释的那样，“在每次碰撞中，你都会暂停时间并观察所有质子和中子的位置。每次你这样做时，由于原子核的量子性质，分布都会有所不同。因此，高能方法可以捕获大量信息，大量复杂性，而这些信息和复杂性是我们无法在低能实验中探究的。”
用碎片重建形状
如果原子核被摧毁，STAR 究竟如何看到这种复杂性?通过追踪粒子从最中心的正面核碰撞中飞出的方式和速度。
正如 STAR 的科学家在《自然》杂志的论文中指出的那样，“具有讽刺意味的是，这实际上实现了(著名物理学家)理查德费曼关于‘通过将两块怀表撞在一起并观察飞出的碎片来弄清楚’这项看似不可能完成的任务的类比。”
科学家们通过多年在 RHIC 进行的实验了解到，高能核碰撞会熔化原子核的质子和中子，从而释放出它们内部的构造块——夸克和胶子。这种熔化的核物质的每个热团块(称为夸克胶子等离子体(QGP))的形状和膨胀由碰撞原子核的形状决定。每个 QGP 团块的形状和大小直接影响该等离子体团块中产生的压力梯度，而这又会影响 QGP 冷却时发射的粒子的集体流动和动量。
STAR 科学家推测，他们可以“逆向工程”这种关系，从而获得有关原子核结构的信息。他们分析了碰撞中产生的粒子的流动和动量，并将其与不同 QGP 形状的流体动力学膨胀模型进行比较，从而得出最初碰撞原子核的形状。
椭圆形铀原子核的正面碰撞可以在体-体和尖端-尖端之间进行取向(a)，从而产生具有不同形状和大小的夸克胶子等离子体(QGP)(b)。这些 QGP 特性驱动不同的膨胀模式(c)，导致发射粒子的不同分布(d)。通过测量这些“流动”模式在碰撞过程中的变化，并将其与近球形金原子核的碰撞进行比较，科学家可以提取铀原子核的形状。图片来源：Jiangyong Jia/纽约州立大学石溪分校
为了证明他们的方法有效，他们比较了金原子核(低能研究认为金原子核接近球形)与铀原子核(具有明显的细长橄榄球状形状)的中心碰撞。由于金原子核接近球形，因此发射粒子的流动模式在碰撞之间应该不会有太大变化。
“金原子核的中心碰撞会产生圆形、固定大小的 QGP，它会向各个方向均匀扩展，”SBU 研究科学家、STAR 分析的共同负责人 Shengli Huang 说道。“另一方面，长方形的铀原子核可以在各种方向上碰撞，产生形状和大小各异的 QGP 液滴，”他说道。因此，科学家们预计铀的中心碰撞会表现出更大的流动模式变化。
这是他们的观察到的。
通过比较铀-铀和金-金碰撞的测量结果，并将这些结果与成功描述 QGP 其他特征的流体动力学模型进行拟合，科学家们能够推断出铀核形状的定量描述。结果还包括首次确定长方形铀核三个主轴的相对长度。
计算工具
从包括沈的模型在内的各种流体动力学模型中获得精确预测带来了巨大的计算挑战。完成这项任务花了一年多的时间，张在开放科学网格上运行计算。张使用了超过 2000 万个中央处理器 (CPU) 小时，从流体动力学模型中生成了超过一千万个碰撞事件，然后将其与实验数据进行拟合。
张说：“STAR 数据中的许多特征表明铀和金原子核的形状存在显著差异，但计算数据模型比较肯定有助于我们更精确地量化原子核形状。”
虽然这项研究旨在建立一种新的核成像方法，但数据确实揭示了一些有关铀原子核的新信息。科学家们发现，铀原子核的三个轴都存在差异，而不是只观察到导致“长”伸长的主轴扭曲，这表明铀原子核比以前想象的更复杂。
扩大影响
如上所述，新方法将提高物理学家对在 RHIC 和 LHC 上产生 QGP 的重离子碰撞的初始条件的理解。从低能实验中得出的核结构对于将这些初始条件与流体动力学流动模式联系起来的分析至关重要，以确定在这些碰撞中产生的 QGP 是一种近乎完美的液体。科学家现在可以使用新方法来检查与使用铀等结构相对已知的原子核的低能方法的一致性。这将进一步减少初始状态条件的不确定性，从而改善 QGP 属性的确定。
该方法还可用于确定其他原子核的形状，特别是那些低能实验对其了解有限的原子核。一个例子是将该方法应用于所谓的同质异位素核——质子和中子(核子)总数相同，但每种核子的比例不同的原子核。当中子数较高的“母”核中的两个中子通过核弱衰变过程转变为质子，形成中子数较低的“子”核时，就会出现这种对——这一过程称为双重β衰变。了解母核和子核之间的形状差异有助于减少在寻找一种看不见的衰变类型(称为无中微子双重β衰变)的实验中模型的不确定性。
“这项研究有很多跨学科的方面，”贾教授解释道。“核物理学有很多分支。通常，每个社区都使用自己的工具——理论和实验。但由于这些结果，世界各地的低能核结构和核反应社区都注意到了这一点。组织了几次研讨会、会议和研讨会，探讨核物理学中高能和低能前沿之间的联系，这让我们更好地了解彼此，”他说。
参考文献：STAR Collaboration 的“高能核碰撞中原子核形状成像”，2024 年 11 月 6 日，《自然》。DOI：10.1038/s41586-024-08097-2
这项研究得到了美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会 (NSF) 以及科学论文中列出的一系列国际机构和组织的支持。除了使用 NSF 直接支持的开放科学网格之外，研究人员还利用了布鲁克海文实验室科学数据和计算中心以及国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的计算资源，后者是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的另一个美国能源部科学办公室用户设施。
