star实验观测到小系统碰撞中亚核子结构涨落-k8体育

近日，山东大学star实验团队与来自美国纽约州立大学石溪分校和日本筑波大学的科研人员合作，通过精确测量小碰撞系统³he au，d au和p au中的集体流，研究了碰撞中产生的小体积夸克胶子等离子体（qgp）液体的性质。该研究成果以“measurements of the elliptic and triangular azimuthal anisotropies in central³he au, d au and p au collisions at √snn = 200 gev”为题于6月15日发表在《物理评论快报》上（phys. rev. lett. 130,242301(2023)）。

极端相对论核-核碰撞的主要目标是产生一种由夸克和胶子作为组分、强相互作用为主导的新物质形态——夸克胶子等离子体。qgp展现出集体效应，呈现近乎完美的流体形态。对于qgp集体效应的研究有助于揭示多体系统的宏观行为如何从其基本自由度中涌现。近年来，这种集体效应在质子-质子和质子-核子等小碰撞系统的高多重数事例中被广泛观测到，这些实验结果引发了小碰撞系统中是否有qgp形成的争论。更进一步，如果小碰撞系统中产生了qgp，那么它的形状是否跟大系统核-核碰撞中的一样由核子位置信息主导，还是由核子中的亚核子结构信息等其他因素来确定？

为了厘清上述问题，star合作组精确测量了³he au, d au和p au碰撞中的椭圆流和三角流，并对非流效应做了系统可靠的扣除，为上述小系统中qgp的产生提供了新的依据。实验结果表明椭圆流v₂表现出碰撞系统依赖性：v₂(³he au)~v₂(d au)>v₂(p au)，而三角流v₃在三个碰撞系统中没有明显差别：v₃(³he au)∼v₃(d au)∼v₃(p au)。这些实验结果与核子glauber碰撞初态模型理论计算预期不符。在该理论模型中，由两个核子组成的氘核因为天然的椭圆形状而具有最大的v₂，而由三个核子组成的氦3核核则具有最大的v₃。考虑到核子是由夸克和胶子组成，在小碰撞系统中亚核子结构的影响不容忽视。图1展示了仅考虑核子涨落的氘核（左）与考虑了亚核子涨落的氘核（右）在d au碰撞中对于v₃贡献的示意图。包含亚核子涨落的氘核在d au碰撞中会产生较大的v₃，从而使得三种碰撞系统中的v₃大小相近。上述实验结果为小碰撞系统中qgp的形状由亚核子结构信息主导提供了重要依据。

图1：包含核子涨落的氘核（左）和包含亚核子涨落的氘核（右）对三角流贡献的示意图

山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心的陈震宇教授和聂茂武副研究员是该论文的主要作者(principal authors)，对实验分析做出了重要贡献。值得指出的是，star实验组的测量结果与phenix实验组的已发表实验测量结果有较大差别，该差别被认为来自于集体流退关联效应。由于初态涨落效应，沿着碰撞系统纵向方向（束流方向）会发生类似“吸管扭曲”的退关联现象，如图2所示。粒子中心陈震宇教授、易立教授和聂茂武副研究员正在star实验组进行rhic能区集体流退关联的系统测量，该测量将为star和phenix实验组测量结果的差异提供直接定量依据。

图2：沿束流方向发生集体流退关联示意图

star合作组是依托于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机的重要国际实验合作组，包含来自15个国家和地区的74家单位，共有七百余名科研人员。本研究工作得到了国家自然科学基金委员会和山东省自然科学基金委员会的资助。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/physrevlett.130.242301