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我院STAR实验组在QCD相变临界点研究中取得重要进展

我院罗晓峰、刘峰课题组与美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)、日本筑波大学、印度国家科学与教育研究所等单位合作,首次在RHIC-STAR重离子碰撞能量扫描实验中观测到净质子数四阶涨落的非单调能量依赖。这一现象与理论预言的量子色动力学(QCD)相变临界点信号一致,对进一步确认QCD临界点位置、探索QCD相结构具有重要意义。自2008年开始,我院STAR实验团队长期深入研究寻找QCD相变临界点,是主要贡献单位。该研究成果于3月6日正式发表在《物理评论快报》上。


文章链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.092301



图1:QCD相图,纵坐标为温度T,横坐标为重子化学势µB。黑色实线为一级相变边界。正方形框标示了可能的QCD临界点位置。红色点代表普通核物质的液气相变临界点。相图的顶部标出了不同重离子碰撞实验的相图覆盖范围。


夸克胶子等离子体(QGP)是存在于早期宇宙极高温条件下的强作用物质形态。高能重离子碰撞物理中一个重要研究课题是强作用物质在极端高温高密条件下的相变与性质。QCD有效理论计算表明,在QCD相图的高重子密区,强子物质到QGP的相变可能存在明显的一级相变边界,该边界的终点被称为QCD临界点(见图1)。QCD临界点的实验确认对深入理解可见物质结构以及研究宇宙演化具有重要意义。作为寻找临界点和相边界的敏感观测量:守恒荷涨落(如净重子数、净电荷数和净奇异数)对碰撞能量的非单调依赖被认为是临界点存在的一个重要实验信号(见图2)。


我院STAR实验组在近十年中致力于RHIC重离子碰撞能量扫描中对守恒荷涨落进行系统测量,碰撞能量覆盖了从7.7 GeV至200 GeV, 9个能量点。该研究成果主要贡献作者中,课题组培养的杨贞贞博士、博士后Toshihiro Nonaka (已出站,现为日本筑波大学助理教授)以及博士生何澍、张宇在物理分析方面做出了重要贡献。另外,与该工作直接相关的物理分析细节的长文章,近期也被投稿到Phys. Rev. C (arXiv:2101.12413)。


RHIC-STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机上STAR实验的大型国际合作组,由来自13个国家67个单位的706位科研人员组成。


图2,左:STAR实验测量的金金0-5%对心碰撞净质子数和质子数四阶涨落的能量依赖以及非临界模型计算结果。右:重离子碰撞能量扫描的化学冻结线穿过临界区域的示意图,纵坐标是温度,横坐标为重子化学势。当系统穿过临界区域,守恒荷分布的峰度乘以方差随着碰撞能量的改变,围绕泊松分布基线显示出的非单调振荡行为。


为了在探索高重子密度区核物质相结构、寻找QCD相变临界点这一具有重大发现潜力的研究方向上占据领先地位、取得突破,世界各大科技强国纷纷建造大型加速器和粒子探测器、开展重离子碰撞实验,其中包括德国FAIR的压缩重子 (Compressed Baryonic Matter, CBM) 实验(2025年建成)、俄罗斯杜布纳(Dubuna)联合核子研究所NICA Multi-Purpose Detector (MPD)重离子对撞实验(2023年建成)、中科院近代物理所HIRFL-CSR External-target (CEE) 外靶实验(2025年建成)。我院积极加入了这些实验并参与探测器研制和建造。


该工作得到国家自然科学基金委重大项目(11828500, 11828501)、中德国际合作项目(11861131009)、面上项目(11575069)、海外及港澳学者合作研究项目(11890711)和科技部国家重点研发项目(2020YFE0202002,2018YFE0205201)的资助。


美国布鲁克海文国家实验室第一时间报道了该重要实验成果:https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=117357



物理科学与技术学院新媒体中心

排版:欧阳瑞恒

审稿:梁皓东

校对:要娅楠



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