中國(guó)科大高能核物理團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)相互作用相圖潛在臨界效應(yīng)

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能核物理團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中師范大學(xué)、廣西師范大學(xué)、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、日本筑波大學(xué)及印度國(guó)家科學(xué)教育與研究所等單位，在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)上(RHIC)的STAR實(shí)驗(yàn)中，成功實(shí)現(xiàn)了金核-金核碰撞中凈質(zhì)子數(shù)漲落的高精度測(cè)量。
 

　　近日，相關(guān)研究成果以“Precision Measurement of Net-Proton-Number Fluctuations in Au + Au Collisions at RHIC”為題，在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physics Review Letters)期刊上，成為實(shí)驗(yàn)探索強(qiáng)相互作用臨界點(diǎn)進(jìn)程中的關(guān)鍵突破。該論文被選為“編輯推薦”(Editors' Suggestion)。
 

　　在極高溫度或密度條件下，強(qiáng)子中的夸克與膠子會(huì)解禁閉，形成夸克-膠子等離子體(QGP)——這種新的物質(zhì)形態(tài)曾存在于宇宙大爆炸后的約百萬(wàn)分之一秒。RHIC通過相對(duì)論重離子碰撞，在“擊碎”強(qiáng)子的過程中產(chǎn)生數(shù)萬(wàn)億攝氏度的高溫環(huán)境，提供了QGP形成的條件。與水的固、液、氣三相類似，強(qiáng)子和QGP是強(qiáng)相互作用物質(zhì)的兩個(gè)相，它們之間的轉(zhuǎn)化被稱為QCD相變，相和相變?cè)诓煌瑴囟群兔芏鹊姆植加蒕CD相圖描述。探索QCD相結(jié)構(gòu)是高能核物理研究的核心目標(biāo)之一。理論預(yù)言，在高溫低密區(qū)的強(qiáng)子和QGP之間為平滑過渡，而在高密和相對(duì)低溫區(qū)域存在一級(jí)相變，兩者之間應(yīng)存在一個(gè)臨界點(diǎn)，作為一級(jí)相邊界的終點(diǎn)。由于目前對(duì)這三者均缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，因此尋找QCD臨界點(diǎn)對(duì)于確認(rèn)相圖結(jié)構(gòu)、理解強(qiáng)相互作用本質(zhì)以及探索宇宙早期演化具有重要意義。
 

QCD物質(zhì)相圖
 

　　為系統(tǒng)掃描QCD相圖，RHIC于2010-2021年實(shí)施了兩期束流能量掃描項(xiàng)目(BES)，其中一期(BES-I)覆蓋碰撞能量7.7-200GeV，二期(BES-II)聚焦于7.7-27GeV并大幅提升統(tǒng)計(jì)，STAR探測(cè)器相應(yīng)也完成了重要升級(jí)。理論指出，逐事件凈質(zhì)子數(shù)的高階漲落是QCD相結(jié)構(gòu)的敏感觀測(cè)量。這項(xiàng)研究基于STAR采集自BES-II的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)量了凈質(zhì)子數(shù)的至高四階累積矩。結(jié)果顯示，四階與二階之比在19.6GeV的對(duì)心碰撞中相比無(wú)臨界的基線出現(xiàn)了最大偏離，顯著性為2-5倍標(biāo)準(zhǔn)差，而在更高和更低能量則逐漸回歸基線。這一現(xiàn)象顯示了潛在的臨界效應(yīng)，即可能存在臨界點(diǎn)的信號(hào)。
 

偏離非臨界基線置信度
 

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能核物理團(tuán)隊(duì)張一飛教授和博士生司凡是該論文主要作者，作為骨干參與物理分析工作，發(fā)展的相關(guān)數(shù)據(jù)篩選與處理、粒子鑒別、效率修正和誤差估計(jì)與控制等技術(shù)在其中發(fā)揮了重要作用。司凡同學(xué)的博士學(xué)位論文即是基于這項(xiàng)研究。團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)研制的飛行時(shí)間探測(cè)器(TOF)為準(zhǔn)確鑒別質(zhì)子和反質(zhì)子的提供了關(guān)鍵支撐，團(tuán)隊(duì)也參與了STAR實(shí)驗(yàn)升級(jí)中事件平面探測(cè)器(EPD)的研制。
 

　　STAR是基于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)的RHIC上的大型國(guó)際合作組，由來(lái)自14個(gè)國(guó)家、76個(gè)單位的755位科研人員組成。本研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部等單位的資助。