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QCD相图实验研究取得重要进展

我院罗晓峰教授课题组与美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)、日本筑波大学、美国加州大学洛杉矶分校、印度国家科学与教育研究所等单位合作,首次在RHIC-STAR重离子碰撞实验中测量了净质子数的六阶涨落,观测到在最高200 GeV碰撞质心能量下六阶涨落为负值。该实验结果与量子色动力学(QCD)理论预言一致,暗示低重子密度区强子物质相到夸克胶子等离子体相为平滑穿越。该测量对理解QCD相结构并进一步在高重子密度区寻找QCD相变临界点具有重要意义。自2008年开始,我院STAR实验团队长期深入研究QCD相图、寻找QCD相变临界点,是主要贡献单位。该研究成果于2021年12月20日正式发表在《物理评论快报》上。

文章链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.262301


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。格点QCD以及有效理论计算表明,在QCD相图的低重子密度区,强子物质到QGP的转变为平滑过渡。而在高重子密区,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。

该研究成果主要贡献作者包含博士生张宇、何澍、前华师博士后Toshihiro Nonaka (已出站,现为日本筑波大学助理教授),他们在物理分析、文章撰写方面做出了重要贡献。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。


STAR重离子碰撞实验中金金碰撞净质子数六阶涨落的中心度依赖。红色点为质心能量200 GeV的结果,从擦边碰撞到中心碰撞逐渐变为负值。27 GeV和54.4 GeV的实验结果在误差范围接近于0。灰色和蓝色区域分别代表输运模型UrQMD和格点QCD计算结果。内嵌图为40-80%中心度的放大显示。

为了在探索核物质相结构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、中德国际合作项目以及科技部国家重点研发项目资助。

 


物理科学与技术学院新媒体中心

排版:徐赫阳

审稿:梁皓东

校对:要娅楠



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