STAR 研究的共同作者、石溪大學 (Stony Brook University) 的江永嘉 (Jiangyong Jia) (前) 和黃勝利 (Shengli Huang) 在 BNL RHIC 的 STAR 實驗控制室中。 (照片：Kevin Coughlin/BNL)

布魯克海文國家實驗室最近發表的研究提供了一種研究原子核結構的新型高能方法。科學家們一直在使用相對論重離子對撞機(RHIC，又稱 STAR)的螺線管追蹤器來追蹤粒子加速器中離子碰撞產生的粒子。他們的研究成果于本月初發表在《自然》雜志上。

STAR 合作組織：這項研究由 STAR 合作組織開展，這是一個由數百名科學家和工程師組成的國際組織，他們來自 12 個國家的 55 個機構。在實驗中，研究人員“不僅量化了原子核的整體形狀——無論是像足球一樣拉長還是像橘子一樣被壓扁——而且還量化了微妙的三軸性，即其三個主軸之間的相對差異，這些差異代表了‘足球’和‘橘子’之間的形狀，”合著者、紐約州立大學石溪分校物理學和天文學兼職教授江永嘉說。

低能極限：這項研究中使用的高能方法與物理學家長期以來用來研究原子核形狀和結構的低能實驗形成了鮮明對比，例如觀察激發原子核衰變過程中發射的光子的非侵入性光譜技術。這些方法有局限性，因為它們無法提供有關原子核中質子空間排列細微變化的信息——這些變化發生得太快而無法檢測到。低能方法也無法直接觀察原子核中的中子。

STAR 的研究人員總結了這個問題：“在這些[低]能量下，它們[原子核]的瞬時形狀被長期尺度的量子漲落所掩蓋，使得直接觀察變得具有挑戰性。”

兩顆鈾核碰撞產生的帶電粒子軌跡藝術圖與 RHIC 的 STAR 探測器草圖重疊。(圖片：張春建/復旦大學和賈江永/石溪大學)

碰撞特定快照：在 STAR 探測器使用的核成像技術中，研究人員寫道：“我們引入了集體流輔助核形狀成像方法，該方法通過以超相對論速度碰撞并分析外來碎片的集體響應來對核的整體形狀進行成像。該技術捕獲了原子核內空間物質分布的碰撞特定快照，通過流體動力學膨脹，在探測器中觀察到的粒子動量分布上留下圖案。”

通過利用高能技術從許多不同的碰撞中制作一系列“快照”，研究人員能夠收集更多信息并觀察到比傳統低能技術更加復雜的結構。

檢查方法：為了檢查他們研究原子核結構的新方法是否與傳統方法大體一致，研究人員將他們的發現與之前已知的發現進行了比較：“我們在基態鈾-238 原子核的碰撞中對這種方法進行了基準測試，鈾-238 原子核以其細長的軸對稱形狀而聞名。我們的研究結果表明，原子核基態發生了較大的變形，略微偏離了軸對稱性，與之前的低能實驗大致一致。”

有關鈾的驚人發現：這項研究的主要目的是建立一種新的原子核成像方法。然而，在研究過程中，研究人員還發現了一些有關鈾核的驚人新信息。據此，“科學家們發現，鈾核的三個軸都存在差異，而不是只觀察到一個主軸的扭曲，從而導致鈾核‘長’伸長。”這表明鈾核比以前想象的更復雜。

研究意義： BNL 表示，STAR Collective 為破譯原子核形狀所做的工作“與一系列物理問題相關，包括哪些原子最有可能在核裂變中分裂，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為發現奇異粒子衰變指明方向。利用對原子核形狀的深入了解，科學家還可以加深對粒子湯初始條件的理解，這種粒子湯模擬了早期宇宙，是在 RHIC 的高能粒子碰撞中產生的。該方法可用于分析來自 RHIC 的其他數據以及從歐洲大型強子對撞機的核碰撞中收集的數據。”

賈教授指出，這項研究已經對核物理學界產生了影響。“這項研究涉及許多跨學科方面。核物理學有許多分支。通常，每個社區都使用自己的工具——理論和實驗。但由于這些結果，世界各地的低能核結構和核反應社區都注意到了這一點。組織了幾次研討會、會議和研討會，探討核物理學中高能和低能前沿之間的聯系，這讓我們更好地了解彼此。”