中国科大高能核物理团队发现强相互作用相图潜在临界效应

　　【仪表网 研发快讯】中国科学技术大学高能核物理团队联合华中师范大学、广西师范大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、日本筑波大学及印度国家科学教育与研究所等单位，在相对论重离子对撞机上(RHIC)的STAR实验中，成功实现了金核-金核碰撞中净质子数涨落的高精度测量。
 

　　近日，相关研究成果以“Precision Measurement of Net-Proton-Number Fluctuations in Au + Au Collisions at RHIC”为题，在线发表于《物理评论快报》(Physics Review Letters)期刊上，成为实验探索强相互作用临界点进程中的关键突破。该论文被选为“编辑推荐”(Editors' Suggestion)。
 

　　在极高温度或密度条件下，强子中的夸克与胶子会解禁闭，形成夸克-胶子等离子体(QGP)——这种新的物质形态曾存在于宇宙大爆炸后的约百万分之一秒。RHIC通过相对论重离子碰撞，在“击碎”强子的过程中产生数万亿摄氏度的高温环境，提供了QGP形成的条件。与水的固、液、气三相类似，强子和QGP是强相互作用物质的两个相，它们之间的转化被称为QCD相变，相和相变在不同温度和密度的分布由QCD相图描述。探索QCD相结构是高能核物理研究的核心目标之一。理论预言，在高温低密区的强子和QGP之间为平滑过渡，而在高密和相对低温区域存在一级相变，两者之间应存在一个临界点，作为一级相边界的终点。由于目前对这三者均缺乏直接实验证据，因此寻找QCD临界点对于确认相图结构、理解强相互作用本质以及探索宇宙早期演化具有重要意义。
 

QCD物质相图
 

　　为系统扫描QCD相图，RHIC于2010-2021年实施了两期束流能量扫描项目(BES)，其中一期(BES-I)覆盖碰撞能量7.7-200GeV，二期(BES-II)聚焦于7.7-27GeV并大幅提升统计，STAR探测器相应也完成了重要升级。理论指出，逐事件净质子数的高阶涨落是QCD相结构的敏感观测量。这项研究基于STAR采集自BES-II的实验数据，测量了净质子数的至高四阶累积矩。结果显示，四阶与二阶之比在19.6GeV的对心碰撞中相比无临界的基线出现了最大偏离，显著性为2-5倍标准差，而在更高和更低能量则逐渐回归基线。这一现象显示了潜在的临界效应，即可能存在临界点的信号。
 

偏离非临界基线置信度
 

　　中国科学技术大学高能核物理团队张一飞教授和博士生司凡是该论文主要作者，作为骨干参与物理分析工作，发展的相关数据筛选与处理、粒子鉴别、效率修正和误差估计与控制等技术在其中发挥了重要作用。司凡同学的博士学位论文即是基于这项研究。团队主导研制的飞行时间探测器(TOF)为准确鉴别质子和反质子的提供了关键支撑，团队也参与了STAR实验升级中事件平面探测器(EPD)的研制。
 

　　STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的RHIC上的大型国际合作组，由来自14个国家、76个单位的755位科研人员组成。本研究受到了国家自然科学基金委、科技部等单位的资助。