围绕夸克物质信号及其性质以及粒子探测新技术，本年度实验室在夸克物质理论、高能重离子碰撞实验、粒子物理与高能碰撞唯象学方面，以及硅像素及快电子学新技术研发上取得了重要进展及一批物理成果。具体如下：

一、高能核物理实验：

1、STAR课题组（6名教师：刘峰、罗晓峰、李治明、施梳苏、王亚平、许怒，3名博士后，9名博士生）。2020年度，课题组主要研究进展简述如下:

1. STAR实验轻核产生的研究

我们完成了质子(p)以及轻核(d,t,helium3,helium4)产生的实验研究。利用STAR实验于2018年采集的固定靶 3 GeV金核-金核碰撞的数据，参与了质子和轻核产额的测量，计算了粒子的横动量谱，dN/dy, <pT>等基本信息，同时计算了轻核聚合模型参数以及粒子的产额比。比较发现3 GeV的实验结果与其他实验组的结果符合的很好，表现出合理的能量依赖。该测量为不仅为STAR能量扫描第一阶段的结果提供了低能量范围的参考，同时也是STAR低能量核核碰撞对轻核的首次测量，基于该数据低能和高统计量的原因，可以更细致的研究快度依赖性。目前该项工作处于工作组审核阶段。

利用聚合模型研究轻核的产生是目前对轻核研究的热门，聚合模型表示，轻核的形成概率只与体系的体积相关，通过计算结合参数B2和B3可以很好的反应碰撞体系冻结特性。该结果同样与其他实验组低能量的结果表现出很好的能量依赖。目前该项工作处在工作组审核阶段。

此前的研究发现轻核的产生携带着关于核子关联和密度涨落的信息，粒子的产额比能够很好地反映中子密度涨落，从而为高能重离子碰撞过程中的相变和临界点研究提供有效的参考。能量扫描第一阶段计算产额比的能量依赖发现在19.6和27GeV处有一个峰值，这一发现引起了广泛关注，3GeV的测量在低能很好的印证了该结果。目前该项工作处在工作组审核阶段。

2. STAR实验重子重子关联的研究

我们首次测量了STAR实验中质子和奇异粒子之间的关联方程。此分析中利用STAR实验中200GeV金-金碰撞数据（采集于2010,2011和2014年），对质子与之间的相对动量差进行测量，计算其关联方程。结果首次显著发现在质子与之间存在相互吸引的强相互作用，相比于仅有库伦作用的情况下，测量结果在中心和边缘碰撞中都具有大于4的显著度。同时边缘/中心的关联方程比值也表现出明显的提升，在误差范围内符合HAL-Lattice强相互作用的理论预测。该测量不仅能为理论计算提供进一步的约束信息，同时也为研究双重子之间相互作用以及寻找可能的六夸克束缚态提供了新的实验依据。目前该项工作处于工作组审核阶段。

3. STAR实验中间歇的研究

研究QCD相图并确定临界点的位置是高能重离子碰撞实验中主要的目标之一, RHIC/STAR合作组的实验覆盖QCD相图上较大的能量区域,而通过分析重离子金-金碰撞实验产生的数据，来测量重离子碰撞中的间歇现象，将进一步促进QCD临界点的研究。该项研究，通过系统地测量Au + Au 碰撞实验中标度指数随碰撞能量和中心度的依赖关系，为夸克胶子等离子体到强子物质的相变提供证据, 并希望测量到临界点在QCD相图上的位置。

我们利用STAR于2010-2017年采集的一期能量数据，其中金-金碰撞质心能量从7.7GeV到200 GeV。至今，基本完成了带电粒子的间歇结果，其中包括pion, kaon, proton以及它们的反粒子。在实验分析中，我们采用混合事件的方法扣除背景。同时，考虑到探测器效率的影响，我们对阶乘矩Fq(M)做效率修正。

理论预言，如果重离子碰撞系统中存在由相变产生的间歇，高阶阶乘矩Fq(M)和二阶阶乘矩F2(M)之间将满足严格的标度关系，目前的实验结果的确观察到该标度关系，如下图所示。

Au+Au 碰撞系统中，\sqrt{s_{NN}}= 19.6 GeV能量下的（q=3-6）标度关系。

在间歇分析中，标度指数ν衡量各阶的 ，它独立于碰撞系统的热力学参数，能够表征碰撞系统的间歇，ν和碰撞系统能量的关系可能确定临界点在QCD相图上的的位置。

          如下图所示，对于最中心0-5% 碰撞的系统，v随碰撞能量变化的关系显示为非单调行为，并且在质心碰撞能量  = 20-27 GeV 范围内达到最小值，预示着Au+Au碰撞系统的ν值20-27 GeV范围内发生特殊的变化，这有可能是临界点所引起的密度涨落起伏所导致。同时，该非单调行为在0-10% 中心度碰撞系统中减弱。然而，在10-40% 中心度碰撞系统中，ν值一直随着能量的减小而减小。如下图所示，从中心碰撞到半中心碰撞，v 值都一直增大，显示单调依赖的关系，说明v值的大小和碰撞系统的大小成反比。

Au+Au 碰撞中能量 \sqrt{s_{NN}}= 7.7-200 GeV下的ν值和能量的依赖关系。

Au+Au 碰撞中能量=19.6, 27, 39,62.4，200 GeV下的ν值和中心度的依赖关系。

4. STAR实验净质子数涨落研究

在强相互作用物质相图研究中，守恒量的高阶涨落被认为是相图结构和相边界的敏感观测量。理论上预言四阶涨落会显示出非单调能量依赖，而更高阶的如五阶、六阶涨落的符号与相边界紧密相连。从第一性原理出发的格点QCD计算预测由于受到QCD一阶相边界的贡献，五阶六阶涨落为负值。STAR实验组在近十年中于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。四阶涨落的实验测量结果显示出非单调能量依赖，具有3.1个显著性。这项工作发表在物理评论快报（Phys. Rev. Lett. 126, 092301）。小于20 GeV低能区域测量结果仍有较大误差，需要更多的实验数据来确定目前测量结果。

我们还对来自STAR固定靶实验3 GeV碰撞能量的实验数据进行净质子数高阶涨落测测量。固定靶实验3 GeV大约采集了1.4亿个无偏事件，由于STAR探测器接受度的限制，我们在快度-0.5<y<0的接受度下对净质子高阶涨落进行计算，结果如下图所示。

蓝色实心方块是来自固定靶3GeV的测量结果，这个实验结果可以被黄色十字的UrQMD输运模型计算的结果所描述，这里的输运模型并不含有临界或相边物理。这个结果可能表明在质心系能量为3GeV的固定靶实验中高阶涨落没有测量到来自临界点或者相边界的贡献，进一步说明在3 GeV可能没有夸克-胶子等离子体产生。目前这项工作正在撰写论文当中。

5. STAR实验重味物理的研究

我们完成了200 GeV金金碰撞中DS粒子产生的测量并计算了DS粒子与D0粒子的产额比值。发现该比值相比于电子电子，质子质子和电子质子碰撞系统有明显的增强，该增强没有明显的横动量和碰撞中心度依赖。DS/D0比值的增强被认为来源于核核碰撞中增强的奇异夸克和热化的粲夸克发生聚合的强子化机制。不同聚合强子化模型的计算结果较好地描述了我们的测量，表明了聚合强子化机制在粲夸克的强子化过程中十分重要。该研究结果在国际学术会议HP2020上做报告，目前该文章已经投向《物理评论快报》，首轮审稿意见已返回，得到两位审稿人的正面评价。

         

我们完成了重味强子（B和D）半轻子道衰变产生的非光电子产生的实验研究。利用STAR实验于2012年采集的200 GeV质子-质子碰撞数据，参与了重味强子经半轻子道衰变产生的非光电子产额的测量，结果与STAR和PHENIX之前发表的结果相符，但测量精度显著提高了。同时，非光电子的不变微分截面与FONLL理论预言在不确定度范围内一致。该测量不仅能为理论计算提供进一步的约束信息，同时也为核-核碰撞中核修正因子的测量提供更加精确的基准。目前该项工作处于工作组审核阶段。

利用STAR/HFT探测器优异的位置分辨率，STAR实验第一次采用DCA方法分离B/D强子衰变产生的非光电子产额，并对其RAA和RCP开展了精确测量。结果首次显著发现来自于B强子衰变产生的非光电子（be）的RAA压低比来自于D强子的非光电子（ce）的要弱（经2检测，显著度在1倍的标准偏差水平）；同时也发现be与ce的RCP比值大于1（对于0-20%/40-80%情况下，大于4.5的显著度）。该结果表明了部分子在热密介质中能量损失对其质量的依赖性，这与理论预期相符（ΔE(b)<ΔE(c)）。测量结果与Duke和PHSD模型比较，在实验误差范围内是一致的。目前该项工作处在工作组审核阶段。该研究结果在HP2020等国际学术会议上做口头报告。

6.STAR实验集体流的研究。

我们完成了固定靶实验质心系能量为3 GeV金核金核碰撞中鉴别粒子直接流（v1）和椭圆流（v2）的测量。直接流（v1）和椭圆流（v2）是描述粒子集体运动的关联和性质，他们都是产生于碰撞早期，敏感于系统的演化过程以及状态方程，是研究部分子层次性质的良好探针。并且过去研究表明，直接流（v1）和椭圆流（v2）的集体行为会在部分子相互作用主导的层次和强子相互作用的层次有很大的区别。鉴别粒子直接流在中心快度区域的斜率（dv1/dy）对强相互作用相图中的相边界较为敏感，理论预言，当系统中由强子态向夸克态相变时会导致粒子直接流斜率的最小值。下图展示了鉴别粒子直接流斜率dv1/dy和椭圆流（v2）在10-40%中心度下关于碰撞能量的依赖关系。我们发现在3 GeV金核金核碰撞中，所有粒子的直接流斜率都变为正值，并且当给强子输运模型（UrQMD）加上平均场后，其结果很好地描述了质子实验观测，可看图(a)。

这一结果表明从高能到3 GeV，系统状态方程的变化。我们也发现质子，介子，K介子和重子中心快度区域的椭圆流（v2）在3 GeV是为负值并且符合能量趋势同时加上平均场后强子输运模型（UrQMD）结果也与实验观测质子v2一致。可看下图(b)。这说明在质心系能量为3 GeV时候，旁观子对椭圆流（v2）在系统演化中有明显的遮蔽作用。

鉴别粒子椭圆流的组分夸克标度性常常被看作是系统产生了夸克胶子等离子自由度的标志。下图展示了鉴别粒子椭圆流组分夸克标度性在3，27，54.4 GeV下10-40%中心度的结果。不同颜色的虚线代表对其他碰撞能量的拟合结果。我们发现鉴别粒子椭圆流在27和54.4 GeV有很好的组分夸克标度性，但是在3 GeV这一标度性已经消失。这一现象表明，在3 GeV情况下，系统的状态方程以及动力学演化都与夸克胶子等离子体占主导的能量区间有很大的差别，不过还需要理论以及模型计算的证实。

以上结果已在美国物理协会核物理分会DNP 2020会议，和CPOD 2021会议上面报告。目前该已经完成数据分析过程，已经完成文章草稿的撰写，正在进行STAR分析组内部审阅，下一步将发表。

7.AMPT模型对平均横动量的碰撞系统及中心度依赖的研究

我们对多相输运模型（AMPT）的初始条件参数：弦碎裂参数以及横动量截断进行了修改,使AMPT模型首次能合理的描述在核核碰撞(Au+Au,Pb+Pb)中系统平均横动量的中心度依赖性，也能合理的描述其他小系统（如pPb,Cu+Cu,Xe+Xe）中的平均横动量。相关内容已经撰写论文并投稿Phys. Rev. C（arxiv2103.10815）。

通过之前的研究发现，要同时在质子质子及核核碰撞中合理的描述某些观测量，如带电粒子的平均横动量及产额，我们需要对多相输运模型中的初始状态参数引入不同的数值。在这个工作中我们通过引入核厚度函数使AMPT中弦碎裂参数以及横动量截断参数化：

首先我们通过研究20GeV-13TeV能量中的质子质子碰撞实验中横动量在0-2GeV范围内的带电粒子的平均横动量确定了,然后我们通过质心能量为7.7-5020AGeV范围内的核核碰撞的实验数据确定了的参数形式，在完成了以上两个参数的参数化并放入AMPT模型后，我们发现改进的AMPT模型首次能合理的描述在核核碰撞(Au+Au, Pb+Pb)中系统平均横动量的中心度依赖性，也能合理的描述其他小系统（如pPb, Cu+Cu, Xe+Xe）中的平均横动量。

论文发表：

1.J. Adam et al. (STAR Collaboration), Nonmonotonic Energy Dependence of Net-Proton Number Fluctuations, Phys. Rev. Lett.126,092301（2020）

2.Ning Yu, Dingwei Zhang, Xiaofeng Luo, Search for QCD critical point by transverse velocity dependence of anti-deuteron to deuteron ratio, Chinese Physics C Vol. 44, No. 1 (2020) 014002

3.Xiaofeng Luo, Shusu Shi, Nu Xu and Yifei Zhang, A Study of the Properties of the QCD Phase Diagram in High-Energy Nuclear Collisions, Particles 2020, 3(2), 278-307; https://doi.org/10.3390/particles3020022

4.Arghya Chatterjee, Yu Zhang, Jingdong Zeng, Nihar Ranjan Sahoo, and Xiaofeng Luo, Effect of centrality selection on higher-order cumulants of net-proton multiplicity distributions in relativistic heavy-ion collisions, PHYSICAL REVIEW C 101, 034902 (2020)

5.Yu Zhang, Shu He, Hui Liu, Zhenzhen Yang, and Xiaofeng Luo, Effects of resonance weak decay and hadronic rescattering on the proton number fluctuations in Au+Au collisions at   = 5 GeV from a microscopic hadronic transport (JAM) model, PHYSICAL REVIEW C 101, 034909 (2020)

6.Zheng Zhang, Chao Shi, Xiaofeng Luo, and Hong-Shi Zong, Chiral phase transition in a rotating sphere, PHYSICAL REVIEW D 101, 074036 (2020)

7.Zheng Zhang,Chao Shi, Xiaofeng Luo,  and Hong-Shi Zong, Rotating fermions inside a spherical boundary, PHYSICAL REVIEW D 102, 065002 (2020)

8.Zheng Zhang,Chao Shi, Xiao-Tao He, Xiaofeng Luo, and Hong-Shi Zong, Chiral phase transition inside a rotating cylinder within the Nambu–Jona-Lasinio model, PHYSICAL REVIEW D 102, 114023 (2020)

9.Hui Liu, Dingwei Zhang, Shu He, Kai-jia Sun, Ning Yu, Xiaofeng Luo, Light nuclei production in Au+Au collisions at  = 5–200 GeV from JAM model, Physics Letters B 805 (2020) 135452

10.Li-Kang Yang, Xiao-Feng Luo, Jorge Segovia and Hong-Shi Zong, A Brief Review of Chiral Chemical Potential and Its Physical Effects, Symmetry 2020, 12(12), 2095

11.L. Zheng, C. Zhang, S.S. Shi, Z.W. Lin, Improvement of heavy flavor production in a multiphase transport model updated with modern nuclear parton distribution functions, PHYSICAL REVIEW C 101, 034905 (2020)

12.施梳苏，RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究，原子核物理评论，第37卷第3期，2020

会议报告：

1.Chuan Fu, Production of DS Mesons in Au+Au Collisions at 200 GeV by STAR, Hard Probes 2020 (online), 美国, 2020年5月30日– 6月5日。

2.Yingjie Zhou, Measurements of electron production from heavy flavor decays in p+p and Au+Au collisions at √sNN = 200 GeV at STAR, Hard Probes 2020 (online), 美国, 2020年5月30日– 6月5日。

3.Shaowei Lan, Identified Particle v1 and v2 in 3 GeV Au+Au Collisions at RHIC-STAR, DNP 2020, 美国, 2020年10月29日-11月1日

2、ALICE合作组进展：

ALICE课题组（5名教师：周代翠、殷中宝、裴骅、毛亚显、张晓明，3名博士后：Somnath Kar、朱建辉、彭忻烨，19名博士生：徐冉、丁燕春、朱亚、崔捧摇、范凤、李兴龙、蔡孟轲、汤思宇、侯永珍、郭文达、柳东海、程甜甜、张彪、蒋秀秀、张文靖、Haidar Mas’ud Alfando、Ahsan Mehmood Khan、Mohammed Mergani、Anaam Mustafa）。2020年度，ALICE课题组主要研究进展简述如下。

1、重夸克的产生特性研究

（1.1）质子-质子碰撞中底夸克总产生截面的精确测量。基于ALICE探测器于2018年所获取的大统计量√s = 5.02 TeV质子-质子碰撞数据，首创机械学习双层加速决策树（BDT）分析方法，实现对由B介子衰变的非瞬时D介子信号的高精度提取。在ALICE实验中，首次对非瞬时D0、D+和Ds+介子在质子-质子碰撞中的产生截面开展系统研究。获得当前LHC能区质子-质子碰撞中底夸克总产生截面的最精确实验观测之一。

图1.1 ALICE实验√s = 5.02 TeV的质子-质子碰撞中由非瞬时D介子所测得的底夸克总产生截面（红），以及与其他实验观测的比较。

研究结果（图1.1）与微扰QCD次领头阶和次次领头阶计算相符。在相同碰撞能量下，非瞬时D介子的观测结果与其他观测相符，且精度最高。此研究对微扰QCD在LHC能区对底夸克产生截面计算的有效性做出了更高精度的检验，也为在重离子碰撞中研究底夸克强子的产额核压低，以及底夸克数是否守恒等关键问题提供了重要的参考基准。研究结果在夸克物质硬探针与电磁探针国际会议（HP’20）和高能物理国际会议（ICHEP’20）上进行了报告。与此研究相关的实验组SCI文章发表于【arXiv:2102.13601】，并已投稿JHEP接收。

（1.2）小系统碰撞中粲夸克强子化特性的系统研究。基于ALICE在LHC第二期运行中所获取的大统计量数据，结合机器学习、强衰变顶点的卡尔曼滤波分析等前沿数据分析方法，在小系统（质子-质子、质子-铅核）碰撞中，对Λc、Ξc等（奇异）粲重子的产生特性开展了系统研究。

图1.2 Λc/D0产额比（左），Ξc/ Λc产额比（右）的横动量分布。

研究结果（图1.2）显示：在LHC能区，粲夸克重子-介子比显著高于正-负电子和电子-质子碰撞中的结果，首次揭示出粲夸克的碎裂特性对碰撞系统的依赖行为。且各类理论预言均难以与实验观测符合。为理解粲夸克强子化过程中的QCD非微扰特性提供了重要实验限定。此外，本研究中还获取了对Ξc的强子与半轻子衰变的最精确分支比关系，并对粲夸克在质子-质子中的碎裂函数进行了高精度标定。与此分析对应的4篇SCI论文均获ALICE国际合作组批准。其中1篇已发表于【arXiv:2011.16078】，并已向Phys. Rev. Lett.投稿。另外三篇论文在撰写中，2篇将向Phys. Rev. Lett.投稿，1篇将向JHEP投稿。

2、喷注的产生特性研究

（2.1）铅核-铅核碰撞中强子-喷注非共面性研究。通过研究强子-喷注关联的核修正，将实现对硬部分子在夸克物质内强相互作用动力学特性的标定，并将衔接和揭示夸克物质中的QCD微扰与非微扰特性。研究结果（图2.1）显示：对心铅核-铅核碰撞中触发强子与其背对方向关联喷注间的方位角差值分布较之质

子-质子碰撞（由PYTHIA提供）的收窄现象，体现了在核环境中强子-喷注间的非共面性减弱，反映了硬部分子与夸克物质内赝粒子间的莫里哀散射特性。研究结果已获批为ALICE实验组物理分析Preliminary results，并在HP’20国际会议上进行了报告。与此研究相关的ALICE合作组SCI论文将在2021年发表。

图2.1 对心铅核-铅核碰撞中触发强子与其背对方向上关联喷注间方位角差值分布（强子-喷注的非共面性）。

（2.2）质子-铅核碰撞中喷注内强子方位角各向异性研究。对LHC能区质子-铅核碰撞中喷注内强子的方位角各向异性开展了首次研究。首创“多维分频”分析方法，实现了对喷注内粒子与伴随粒子的完全分离，将测量有效拓展至低横动量区间。研究结果（图2.2）表明，在质子-铅碰撞注中，喷注内粒子存在显著的非零方位角各向异性，但其强度相对于伴随粒子有明显的压低。近年来，对如何理解在LHC能区高多重数小系统碰撞中所观测到的粒子间类流体动力学长程关联，以及重子-介子产额比增强等新奇物理现象，已成为高能核物理领域研究的热点问题。对上述新奇物理现象是否源于夸克物质的流体动力学演化，是研究的焦点之一。目前各类理论研究，虽然能在一定范围内与实验观测相符，但均难以对实验结果进行统一的描述。此项研究首次揭示了喷注内强子也具有类流体动力学的方位角分布各向异性。表明实验所观测的类流体动力学行为极有可能源于碰撞初态的涨落，以及末态部分子间的散射。为理解高多重数小系统末态粒子的产生特性提供了新的重要实验限定。研究结果已获批为ALICE合作组物理分析preliminary results，相应实验组SCI文章将有望在明年发表。

图2.2 LHC能区对碰撞内强子方位角分布各向异性的首次测量。

2020年度课题组发表论文6篇，已接收论文2篇、投稿论文2篇；重大及重要国际、国内会议报告11个；（在线）参加国内、国际会议80余人次。

高水平论文列表

（1）已发表论文（6篇）

[1] ALICE Collaboration, “Underlying Event properties in pp collision at √s = 13 TeV”, JHEP 2020 (2020) 192

[2] S. Kar, S. Choudhury, X. Zhang and D. Zhou, “Examining the event-shape-dependent modifications to charged-particle transverse momentum spectra and elliptic flow in p-Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider”, Phys. Rev. C102 (2020) 044901

[3] Wenchang Xiang, Yanbin Cai, Mengliang Wang and Daicui Zhou, “High-energy asymptotic behavior of the S matrix in the saturation region with the smallest dipole running coupling prescription”, Phys. Rev. D101 (2020) 076005

[4] Yanbing Cai, Wenchang Xiang, Mengliang Wang, Daicui Zhou, “Exclusive photoproduction of vector meson at next-to-leading order from color glass condensate”, Chinese Physics C44 (2020) 074110

[5] X. Zhang and D. Zhou, “Experimental overview of recent research highlights on international cooperation in heavy-energy nuclear physics”, Nucl. Phys. Rev. 37 (2020) 0391

[6] Y. Ding (for the ALICE collaboration), “Quarkonia production as a function of charged-particle multiplicity in pp collisions at 13 TeV with ALICE”, PoS LHC2020 (2020) 224

（2）已接收论文（2篇）

[1] ALICE Collaboration, “Production of muons from heavy-flavour hadron decays at high transverse momentum in Pb–Pb collisions at √sNN = 5.02 and 2.76 TeV”, [arXiv:2011.05718] accepted by Phys. Lett. B

[2] ALICE Collaboration, “Inclusive heavy-flavour production at central and forward rapidity in Xe–Xe collisions at √sNN =5.44 TeV”, [arXiv:2011.06970] accepted by Phys. Lett. B

（3）已投稿论文（2篇）

[1] ALICE Collaboration, “Measurement of beauty and charm production in pp collisions at √s = 5.02 TeV via non-prompt and prompt D mesons”, [arXiv:2102.13601] submitted to JHEP

[2] ALICE Collaboration, “Λc production and baryon-to-meson ratios in pp collisions at √sNN = 5.02 TeV at the LHC”, [arXiv:2011.06078], submitted to Phys. Rev. Lett.

3.夸克物质物理课题组

  夸克物质物理课题组（王新年、王恩科、侯德富、张本威、张汉中、金猛、肖博文、秦广友、丁亨通、计晨、Toru Koju、庞龙刚）。

2020年，夸克物理理论组共发表论文43篇。其中：《物理评论快报》3篇,《物理快报B》7篇，《物理评论C》2篇，《物理评论D》12篇，《欧洲物理杂志C》5篇。

下面简述2020年夸克物质物理课题组主要研究进展。

1.部分子在热密核物质中的横动量展宽和能量损失由喷注输运参数qhat的时空分布描述。qhat在垂直于部分子运动方向的空间梯度会导致部分子在横向动量方向产生漂移和不对称性。该不对称性既依赖于横向坐标也依赖于部分子的传播路径，这可以通过数值求解简化的漂移-扩散玻尔兹曼输运方程得到。在高能重离子碰撞中，我们在线性玻尔兹曼输运模型逐事例的模拟中发现，该对称性和喷注初始产生的横向坐标紧密相关。因此，这种梯度层析的方法可用来定位喷注的初始产生位置。论文发表在：Phys.Rev.Lett. 125 (2020) no.12, 122301。

2.利用线性玻尔兹曼输运和流体动力学耦合模型（CoLBT-hydro模型），我们研究了LHC重离子碰撞中触发喷注碎裂函数的介质修正。我们不仅描述了由于部分子能量损失所造成的喷注圆锥中大横动量分数$z_\gamma$（相对于触发粒子横动量）区域内领头强子产额的压低，还描述了由于喷注诱导的介质激发所导致的小横动量强子产额的增强。由于触发偏差以及夸克/㬵子喷注相对比例的介质修正，碎裂函数在大横动量分数$z_{jet}$（相对于喷注横动量）区域内没有压低。对于末态横动量接近或者大于触发光子横动量的喷注，触发偏差还导致大$z_{jet}$范围内喷注碎裂函数的增强。论文发表在：Phys.Lett. B810 (2020) 135783。

3.利用JETSCAPE框架计算并比较了实验测量的质子-质子碰撞中与喷注相关的观测量，如：单举喷注截面，喷注形状函数，碎裂函数，带电强子截面，双喷注质量截面等。这些观测量在质子-质子碰撞中的行为是研究相对论重离子碰撞非常重要的参照。JETSCAPE-PP19版本能够较好地描述较大碰撞能量范围的许多喷注观测量，显示JETSCAPE框架的物理能力，为其用户提供了基准。论文发表在：Phys.Rev. C102 (2020) no.5, 054906。

4.我们使用深度卷积神经网络，从重离子碰撞仿真产生的末态 $\pi$ 介子谱识别QCD的相变性质。仿真模型使用相对论流体力学模拟QGP的时空演化，使用分子动力学模型模拟强子输运。在流体力学演化中使用了两种不同的状态方程，得到$\pi$介子的横动量和方位角分布。我们测试了调整输入数据时，训练出的深度神经网络对状态方程的分类精度。使用逐事件、粗粒度和事件平均作为网络输入时，观察到预测精度分别为80%、90%和99%。本研究发现，即便考虑了QGP体冷却后的强子级联散射，神经网络仍能识别QCD的相变性质。论文发表在：Eur.Phys.J.C 80 (2020) 6, 516。

5.使用相空间中的自旋密度矩阵，我们提出了描述矢量介子自旋排列以及重子自旋极化的改进型夸克组合模型。该模型让我们对静态极限下的矢量介子的自旋排列有了新的理解：$\phi$介子的$\rho_{00}$明显大于1/3，可能是由于矢量$\phi$场的类电场部分导致；而$K^{*0}$介子的$\rho_{00}$明显小于1/3，则可能是由于涡旋场的类电场部分导致。涡旋场对$\rho_{00}$的负值贡献，对于$\phi$介子相对不重要，但对$K^{*0}$介子的贡献被一定程度地放大。论文发表在：Phys.Rev. D102 (2020) no.5, 056013。

6.最近，重离子碰撞中$\Lambda$与$\bar{\Lambda}$超子的整体极化被STAR 实验组在RHIC实验上观测到，证实了十多年前的理论预测，表明重离子碰撞中产生的QGP有高达$10^{21}s^{-1}$的涡旋，强于自然界中观测到的任何其他流体。这为研究QGP 性质提供了新的窗口，是重离子碰撞物理领域的新的研究方向。论文发表在：Nucl.Phys.News 30 (2020) no.2, 10-16。

7.利用重味夸克Langevin输运、流体力学和碎裂-组合强子化模型，我们研究了重味强子和衰变产生的轻子的核修正对纵向快度的依赖，研究发现，从中心快度区到向前快度区，有重味夸克横动量谱变软和QGP尺寸变小两个因素会相互作用。论文发表在：Phys.Rev. C101 (2020) no.6, 064907。

8.结合线性玻尔兹曼输运模型和流体力学，我们细致研究了重离子碰撞中轻味和重味喷注的能量损失和核修正。在次领头阶微扰QCD框架下，自洽地包含夸克和胶子对轻味和重味强子产额的贡献。我们能同时描述LHC上大横动量强子、D、B介子以及B衰变的D介子的核修正因子，自然地解决了存在已久的“喷注淬火味道排序之谜”，是近年来喷注淬火研究的一个重要成果。模型预言，在横动量大于30-40GeV时，B、D介子的核修正因子与带电强子类似。研究成果发表在：Phys.Lett. B805 (2020) 135424。

9.我们发展了一套先进的部分子组合模型来研究重离子碰撞中粲强子的产生。利用新的碎裂-组合模型并结合重味夸克Langevin输运和QGP流体力学演化模型，我们能描述RHIC和LHC重离子实验中观测的$Lambda_c/D^0$和$D_s/D^0$ 的比值。发现QGP的径向流对描述$Lambda_c/D^0$比值的升高有重要贡献。此外，LHC重离子实验中观测到$Lambda_c/D^0$比值较RHIC小是由于QGP的径向流和粲夸克动量谱两者相互作用的结果。论文发表在：Phys.Lett. B807 (2020) 135561。

10.结合（2+1）维流体力学和线性玻尔兹曼喷注输运模型，我们发展了一套流体-组合-碎裂的强子化模型，首次定量研究了LHC质子-铅核碰撞高多重数事例中部分子自由度对中间横动量强子的产生和集体流的贡献。研究发现，从流体力学产生的软部分子和从喷注碎裂产生的硬部分子的组合贡献，对描述pion介子，K介子和质子在横动量为0-6GeV范围内的椭圆流v2数据非常重要，特别是实验上观测到的v2近似的组分夸克标度行为。这些结果表明，LHC高多重数质子-铅核碰撞中很可能产生了小的夸克胶子等离子体。我们的研究结果发表在：Phys.Rev.Lett. 125 (2020) no.7, 072301。

11.结合重味夸克Langevin输运、流体力学和碎裂-组合强子化模型，我们细致研究了重离子碰撞中初始重味夸克谱、重味夸克在QGP中的能量损失、强子化机制、初始预平衡阶段的演化、重味夸克输运系数对QGP温度和流速的依赖等因素对重味强子的核修正及椭圆流的影响。我们发现，部分子碰撞-辐射能量损失以及碎裂-组合强子化机制是描述重味强子核修正和椭圆流两个最重要的因素。论文发表在：Chin.Phys. C44 (2020) no.11, 114101。

12.利用我们的喷注-流体相结合模型，研究了2.76ATeV和5.02ATeV铅核-铅核碰撞中整体单喷注和光子-喷注内部结构的核修正。我们的喷注演化模型包含了弹性能量损失、横动量展宽和介质引起的劈裂过程。重离子碰撞产生的高密QGP物质以及喷注损失到QGP内的能动量的演化由带源的相对论流体力学方程描述。我们的数值研究结果显示，喷注损失到介质内部的能动量的热化和流体演化能进一步增大喷注形状函数在大角度处的增强现象，对定量解释喷注修正函数对喷注锥角的依赖至关重要。此外，我们发现,喷注形状函数的核修正对喷注能量有较强的依赖性，而对喷注的味道依赖性较弱。这个结果能很自然地解释CMS合作组观测到的单喷注和光子-喷注形状函数核修正的不同。我们的结论可以通过测量更大能量范围的喷注的核修正来验证。研究结果发表在：Phys.Lett. B801 (2020) 135181。

13.利用色玻璃凝聚框架和稀薄-稠密因子化，我们系统研究了LHC质子与重核碰撞中重味强子和参考轻强子之间的角关联，抽取了重味强子的椭圆流v2。我们能很好地描述最新测量的J/Psi和D0介子的椭圆流v2数据，并预言了Upsilon和B介子的椭圆流，我们的研究对进一步了解小系统中集体流的来源有重要参考价值。论文发表在：Phys.Rev. D102 (2020) no.3, 034010。

14.对于许多非平衡系统如相对论重离子碰撞中的预平衡阶段的研究，需要高精度求解有完整碰撞项的相对论玻尔兹曼方程。我们发展了一套数值框架来精确求解相对论玻尔兹曼方程，计算了纯胶子系统以及夸克胶子混合系统中部分子分布函数在坐标和动量空间的演化。计算包含了3个味道正反夸克和胶子间所有的2->2散射过程。通过对称化取样方法来保证粒子数守恒，我们能够高效地计算夸克胶子系统达到平衡的过程。研究结果显示，胶子在早期会自然的汇聚到软区域，这可能暗示胶子凝聚现象。研究结果发表在：Phys.Rev. D102 (2020) no.3, 034010。

15.利用带有硬因子高阶修正的重求和改进微扰量子色动力学方法来，我们计算了Z和希格斯玻色子标记喷注的动量比值分布，很好地描述5.02TeV质子质子碰撞的实验数据。结合BDMPS量损失机制和（2+1）维流体力学模型来模拟等离子体介质的效应，我们对比Z+喷注在核核碰撞的实验数据，提取喷注输运参数为4-8$GeV^2/fm$。利用同样的方法来计算希格斯+喷注的动量比值分布，发现其与Z+喷注的分布相比，有更强的Sudakov效应。论文发表在：Eur.Phys.J. C80 (2020) no.12, 1136。

16.我们在国际上首次计算了喷注淬火效应对喷注事件在空间几何性质(喷注事件的球度分布)的影响。我们以包含精到次领头阶的散射矩阵元和部分子部分子簇射的事件发生器POWHEG+PYTHIA来模拟pp碰撞，用FASTJET来重建事件中的整体喷注用以计算喷注事件的球度($S_{\perp}$)，在PbPb碰撞中,我们用线性玻尔兹曼输运模型来模拟部分子在QGP中的演化。我们发现, 经过喷注淬火之后, 喷注事件的球度分布在取值较小的区域出现抬升, 在取值较大的区域出现压低，表明PbPb碰撞事件总体变得更加pencile-like。另外，我们细致研究了喷注淬火效应对两喷注和多喷注事件的球度的影响。论文发表在：Eur. Phys. J. C80 (2020) no.9, 865。

17.我们基于硬热圈微扰理论（HTLpt）框架,计算了N=4超对称Yang-Mills理论下的两圈重求和的热力学量，并与HTL重求和以及Pade近似的结果比较。此工作主要目的是提高热力学势能在弱耦合情况下的收敛性。我们主要利用HTLpt计算一圈和两圈的自由能，再将结果通过真空能量， 胶子质量counter 项，标量场质量以及夸克质量counter 项进行重整化。接下来，我们会推广到更高圈圈图的计算中。论文发表在：JHEP 09 (2020) 038。

18.我们研究了在2.76TeV铅铅碰撞中单举喷注和Z玻色子标记喷注的girth的核修正。我们的结果表明，girth分布的核修正在小girth区域更强，在大girth区域更弱。相比于pp碰撞，铅铅碰撞中单举喷注的girth分布会向小girth区域发生偏移。另外，我们预测了2.76TeV铅铅碰撞时Z玻色子标记喷注的girth分布，证实了其没有单举喷注介质修正对girth分布的影响明显。论文发表在：arXiv: 2005.01093, Chin.Phys.C 45 (2021) 2, 024102。

19.基于电动力学中著名的等效光子近似，我们计算了高能重离子的光子分布函数，并发现这些光子是线性极化的。我们通过理论计算，由此预言高能重离子碰撞中的轻子对在非对心碰撞中会由于初态效应而产生较大的各向异性。这一结果有望在不久的将来在大型强子对撞机上得到实验组的检验。相关结果发表在Phys. Rev. Lett.125,232301 (2020) 。

20.计算中子星的状态方程，不仅需要计算物质的贡献，还需要计算零点能的变化（如狄拉克海的贡献）。通常，零点能变化的计算异常困难，因为当自由度变化时，会有全局的紫外发散。我们采用2PI框架来处理这些发散，得到从基本粒子和复合粒子的贡献相互抵消，只剩下有限的能量变化。这个框架对计算高密度QCD在夸克-强子区的状态方程非常重要。相关研究结果发表在：Phys.Rev.D 101 (2020) 3, 036001。

21.我们提出了硬和软的退禁闭的区别。硬退禁闭与重子的重叠紧密联系，它的状态方程可以很好地用质子中的压强和能量密度来做近似，通过研究质子的引力形状因子可以抽取出来。软退禁闭与重子-重子相互作用中的夸克交换紧密联系。我们分析了夸克交换过程中夸克波函数的变化，研究了夸克费米海的形成。相关研究结果发表在：Phys.Rev.D 102 (2020) 9, 096017。

22. 与合作者利用格点量子色动力学计算得到了8阶的泰勒展开系数，由此得到了重子数3、4、5、6阶累积矩比率(cumulant ratio)的结果,并与STAR/RHIC合作组最新、最高统计量的束流能量为54.4 GeV的关于3、4、6阶累计量比率初步数据进行了比较，发现3 、4阶格点计算与实验符合，但在6阶时实验和格点计算的不同，而且符号相反。这可能暗示着新的、超出平衡态的物理。结果发表在Phys. Rev. D 101(2020) 04502。

23.早期的在利用标准交错费米子、大夸克质量的格点研究中人们发现了磁催化，而在利用改进的交错费米子、物理夸克质量的格点研究中人们发现了反磁催化。我们采用了标准的交错费米子、在夸克质量很小的情况下开展格点QCD研究，仅仅观察到了磁催化效应，这表明早期格点研究中并没有观察到反磁催化效应与夸克质量太大不太相关，而与格点的离散效应更相关。我们同时发现相变的强度随着磁场的增强总是增强，并观察到了一阶相变。结果发表在Phys.Rev.D102(2020)054505。

24.在无pi介子有效场理论的框架下，我们通过计算氘核的纵向电磁极化响应函数，获得核极化效应对缪氘原子兰姆位移谱的贡献。在这一工作中，我们通过有效场理论中核力的系统化展开，展示了响应函数理论预测的逐阶收敛性，并预测了包括相对论效应的高阶修正对理论精度的影响。无pi介子有效场理论下计算结果与基于手征有效核力的计算结果有很高的一致性，为实验上从缪氘原子光谱测量中提取高精度的氘核电荷半径提供了重要理论支持。研究成果发表在：e-Print: 2009.08347，. Phys. G 48 (2021) 035101。

25.反常流体框架的建立及对同质异位素核碰撞中手征磁效应的信号的预言。本项目所提出的一个重要科学目标就是针对重离子碰撞中的手征磁效应计算发展基于反常流体力学框架的定量模拟工具。在项目组成员的合作努力下，这一目标顺利达成，我们成功地发展了EBE-AVFD（Event-By-Event Anomalous-Viscous Fluid Dynamics）这一最新工具，它是首个成熟的基于反常流体的逐事件模拟工具，这一工具现在被实验工作者（特别是STAR Collaboration）广泛采用来研究实验观测量的行为与敏感度以及用于发展新的观测量。基于这一工具，项目研究组对于目前领域极为关注的2018年RHIC对撞机的isobar实验进行了计算，并提出了一种恰当的同质异位素减除方案来有效地去除背景。在此基础上，我们对同质异位素碰撞中的CME的信号进行了定量预测。 发现一个新的不依赖于轴向电荷不确定的可靠可观测量，即同质异位素减除的γ-与δ-关联比值， 在事件平面的测量中被确定为-(0.41±0.27)，在反应平面的测量中被确定为-(0.90±0.45)。 我们这一重大进展获得国际国内学术界广泛认可，项目组成员本年度多次受邀在国际会议上做EBB-AVFD及相关工作的大会报告和特邀报告，特别是在Quark Matter 2019上作了Plenary Talk汇报这一新成果。 研究结果发表在：hys. Rev. Lett. 125, 242301(2020)

26.分析了手性费米子对依赖时间和空间的手征不平衡和恒定磁场的响应。在线性响应近似下，利用有限温度下的实时方法，研究了轴矢量-矢量-矢量-三点函数。给出了非相互作用费米子的手征导电率.指出当轴化学势不均匀时，局域电荷守恒起着重要作用。需要适当的正则化，使常数轴化学势极限变得微妙：对于静态手性电荷，CME电流消失。在手征化学势各向同性(但可能随时间变化)极限中，CME电流完全由手征反常决定。作为现象学的应用，CME引起的电荷不对称的可观测性是系统各尺度之间协同作用的问题。指出了CME电流梯度修正可能引起的等离子体不稳定性。研究结果发表在：Phys.Rev.D 101 (2020) 7, 076026。

27.我们采用了有限磁场下的朗道能级作为自由度，得到对应的手征动理论方程，能有效地处理通常手征动理论中存在的红外发散问题。我们应用此框架研究了夸克胶子等离子体在垂直磁场方向的电导率。研究结果发表在：Phys.Rev.D 101 (2020) 3, 034006。

28.旋转的同位旋核物质的新相图。我们用两味的NJL模型，研究了旋转下同位旋物质中的介子凝聚。我们证明了旋转对位旋物质结构的两个重要影响：对标量道凝聚（尤其是pi介子凝聚）的抑制；对矢量道凝聚（rho介子凝聚）的增强。在ω-μI平面上绘制了旋转的同位旋物质的新相图，其中三个不同的相分别对应于σ，π和ρ主导的区域，低同位旋化学势时以一个二阶相变线为界高速旋转时以一个一阶相变线为界，在三相临界点处连接。研究结果发表在：Chin. Phys. C 44 (2020) 11, 111001。

29.QCD相结构的全息研究。我们在quenched动力学全息模型里考察了手征相变和退禁闭相变并考察了在温度-重子数化学势平面的相图，通过跟格点计算的重子数扰动结果做比较固定零密时的模型参数，发现quenched动力学全息模型给出的QCD相结构跟PNJL模型的结果非常类似：1）在零密时，手征 相变和退禁闭相变都是平滑过渡，手征相变温度比退禁闭相变温度高，2）在密度比较高的区域，存在手征对称性恢复但是仍然禁闭的相结构（Quarkyonic）相。研究结果发表在：JHEP 03 (2020) 073。

30.磁场下的施温格效应的全息研究。我们研究了在外磁场下的施温格效应。我们发现虚的正电子和电子产生实粒子可能性增加。通过有限磁场下的势分析和临界电场的结果，也是支持这个结论。研究结果发表在：Eur.Phys.J.C 80 (2020) 6, 550。

4.天体物理课题组

天体物理课题组（7名教师：郑小平、俞云伟、邱涛涛、杨书华、桂川大志、古城徹、周爱芝）。2020年度，天体物理课题组主要研究进展简述如下。

1）短伽马暴光度函数和喷流结构的研究

通过仔细拟合Swift卫星和Fermi卫星观测样本的红移和流量分布以及结合引力波观测对双中子星并合事件率的限制，我们对短伽马暴喷流核心部分的高斯分布参数作出了重要限制。同时，也讨论了两个观测样本存在分布差异的可能原因，即两颗卫星对喷流侧向较软辐射的响应能力可能存在很大不同，揭示了偏轴观测对伽马暴光度分布的重要影响。我们也因此指出，短伽马暴的本征光度函数很可能具有简单的单一幂律形式，而传统双幂律表述实际上是混合了观测角度分布的结果。其次，基于对喷流核心结构的限制结果，我们进一步发现，单一高斯分布往两翼区域的延伸实际上和GW170817/GRB 170817A所给出的光度和事件率均存在显著差异，从而表明短伽马暴的喷流应该具有双成分的结构（可以用双高斯分布来唯象描述）。基于这个结果，我们分析了短伽马暴光度分布随红移的演变，并对近邻宇宙内（引力波探测器视界内）可能发现的引力波和短伽马暴成协事件的事例数作出了预估，该结果可用于对GECAM等项目观测前景的研判。该项研究成果已发表于Tan & Yu 2020, ApJ, 902: 83。

2）喷流传播过程的引力波记忆研究

伽马暴喷流具有近似双高斯结构一定程度上可以说是喷流和并合抛射物相互作用的一种自然结果，因此也是我们了解这一相互作用过程以及并合抛射物结构的一个间接方法。但是，是否存在“直接观察”喷流在抛射物中的传播过程的途径呢？为此我们提出，当相对论性喷流穿越致密环境物质时，喷流底部的加速和顶部的减速将显著改变其周围的时空度规，引起度规扰动辐度的持续增长。对于无穷远处的观测者而言，将因此感受到一种被称作是引力波记忆的特殊信号。基于对喷流传播动力学的计算，我们给出了这种引力波记忆信号的可能幅度和累积频谱。将来，当处于亚赫兹到数十赫兹频段范围内的引力波探测器达到最佳理想状态的情况下，这种极为微弱的引力波记忆信号有望被探测到。该项研究结果发表于Yu 2020, ApJ, 897: 19, 它使人们原则上具有了直接“看到”伽马暴喷流产生和传播过程的可能性。

3）千新星研究

主要关注了中子星和黑洞并合事件。基于同行给出的数值模拟结果，我们首先描述了抛射物的质量和速度分布。在此基础上并考虑了抛射物的几何结构，我们计算了抛射物辐射的光变曲线以及它对观测方向的依赖。这些结果发表于Zhu et al. 2020, ApJ, 897: 20。

4）快速射电暴研究

在快速射电暴领域，本年度的一个重大发现是在4月28日人们从河内磁星SGR J1935+2154方向观测到了一次爆发，并还发现它在时间上与来自该磁星的一次X射线暴高度吻合。这是首次在河内观测到快速射电暴现象，并明确显示了它的磁星活动起源。在此框架下，最有可能造成快速射电暴相干辐射的物理机制主要有曲率辐射和激波脉泽辐射。两种模型之间形成了激励的争论。为此，我们将FRB200428的主要观测特征和激波脉泽模型进行了仔细的对比，由此发现该模型原则上可与观测相符合，但需满足如下一些较为苛刻的条件：（1）快速射电暴辐射应来自于相对论性轻子流和低速重子流的碰撞内激波过程，而非持久的外激波；（2）激波发生位置应较为远离中子星，相比之下轻子流的截面积极小（近似于以柱形喷流）；（3）X射线暴辐射应主要来自于磁星表面附近，但是激波过程会提供一个额外的辐射成分。这些发现表明人们先前所提出来的一些激波脉泽辐射是存在缺陷的，但基本辐射机制仍然不能被完全排除。该项工作已发表于Yu et al. 2021, MNRAS, 500: 2704。此外，正是鉴于快速射电暴可能的X射线对应体辐射，我们还曾在Swift BAT的历史数据中，搜寻了可能与重复快速射电暴FRB 121102成协的信号，但并没有得到显著的结果，这对其X射线辐射的强度给出了重要的限制，该结果发表于Sun et al. 2019, ApJ, 885: 55。

5）奇异星的存在性与非牛顿引力研究

依据Witten在1984提出的奇异夸克物质假设，宇宙中应该存在纯粹由奇异夸克物质组成的致密星，即所谓的奇异星。然而，我们的研究发现，采用标准          MIT袋模型，在广义相对论框架下，奇异星无法同时解释目前所发现的最大质量的脉冲星PSR J0740+6620和双中子星并合事件GW170817给出的1.4 M⊙质量星体潮汐形变量。我们还发现，考虑非牛顿引力效应后，在标准MIT袋模型下，天文观测不会排除奇异星存在的可能性；而且可以用“奇异星的存在”来限制非牛顿引力的参数范围。该项研究成果已发表于Yang et al. 2020 ApJ, 902: 32。

6)早期宇宙模型的简并性研究

描述早期宇宙有很多种可能的模型，它们之间能产生彼此相同的观测信号，从而很难被观测所区分及检验。这被称为模型的简并，而部分简并是由于度规在共形变换下的等价性带来的。为了打破这种简并性，确定真实的早期宇宙模型，本文利用了一种新的变量，称为“框架不变量”，该变量最早由A.Ijjas和P.J.Steinhardt在2015年提出。我们讨论了在由这些变量构造的参数空间中，不同的模型将如何给出不同的分布，从而使得未来的观测能对其进行甄别。作为例子，我们还讨论了几种具体的非最小耦合函数形式。该结果发表于Phys. Rev. D 101 (2020) 2, 023517。

7)非共形耦合暴胀模型的研究

在这项工作中，我们研究了与爱因斯坦引力非共形耦合的势能驱动暴胀模型，并考察了这种耦合对这些模型的影响。我们考虑了一个只含单一参数的简单的耦合形式，并考虑了三种典型的暴胀模型，即混沌暴胀、希格斯暴胀和单调暴胀模型。我们发现，非共形耦合可以对这些模型的可观测量如功率谱、谱指数以及张标比等给出一些修正，然而由于非共形耦合参数的限制，这些修正并不会太大。不过一些位于普朗克观测数据支持范围边缘的模型，例如单调暴胀模型等，却可以由于这些修正更加符合观测。此外，由于该耦合是引力和场的动能项之间的耦合，因此可能会导致张量扰动（引力波）的声速变得非平庸（偏离光速），这也是早期宇宙偏离爱因斯坦理论的一个重要信号。该结果发表于Phys. Rev. D 102 (2020) 6, 063506。

8)Horndeski理论中暗物质候选者及其宇宙学演化的研究

Horndeski理论是标量张量理论的一种，众所周知，我们可以用标量场来解释暴胀模型或暗能量问题。我们提出了一种新的设想，即标量场可以同时解释暗物质和暗能量。我们考虑了带标量场的球对称解来研究星系转速曲线。将标量场分解为暗物质和暗能量两部分，其中暗物质成分在星系中密度分布满足平方反比规律，暗能量成分表现为宇宙学常数。我们还研究了标量场的宇宙学时间演化，并讨论了候选暗物质冷暗的性质。该项目的研究成果发表在Physical Review D 101，no.2，024046（2020）上。

9)原始引力波和暴胀的有效场论方法研究

宇宙微波背景是宇宙暴胀模型的有力证据，最近的观测对宇宙暴胀理论的张标比给出了非常严格的上限。观测结果同时也表明，原初引力波的功率谱有一个极小的振幅，而这个振幅可以用来对暴胀模型做限制。基于有效场论，我们研究了一般的暴胀模型，并推导出张标比的一般表达式。通过将一般的结果简化到不同的暴胀模型，未来观测实验的精度还可以对模型参数做出新的限制。该项研究成果发表于European Physics Journal C 80 (2020) 12, 1163。

10)F(R)引力理论中的大爆炸核合成与暗物质候选者研究

F(R)引力是致力于解决暗能量问题的修改引力理论之一，目前已有众多的宇宙学模型受到广泛研究。F(R)引力预言了一种新的标量场，称为标量子。我们在先前的工作中提出了标量子场的量子涨落可以充当暗物质的方案，此时标量子称为变色龙暗物质。我们研究早期宇宙中的原初核合成对于标量子的影响，发现了它对于标量子质量的一个普遍约束，由此得到了相对于第五力实验更为严格的参数限制。我们也发现了标量子在原初核合成时期可以自然地发展成足够小的涨落，由此避免基于最新的Planck 2018数据的原初核合成限制。我们的结果不仅确认了变色龙暗物质方案的有效性，还指出标量子对于原初核合成过程高度敏感，因此将来更精确的数据（轻元素丰度和重子数密度分数）可以有效地限制变色龙暗物质方案。该研究成果发表于Journal of High Energy Physics 02, 155 (2020)。

2020年度课题组发表论文10篇，国际会议（网络）报告2次，研讨会（网络）邀请报告1次，国际期刊的客座编辑1次，毕业硕士研究生2人、博士研究生1人，新增科技部SKA专项研究项目1项，在研国家级基金项目2项，获评湖北省自然科学奖三等奖1项。

高水平论文列表：

(1)Yu, Yun-Wei*; Gravitational-wave Memory from a Propagating Relativistic Jet: A Probe of the Interior of Gamma-Ray Burst Progenitors, Astrophysical Journal, 2020, 897(1)：0-19    

(2)俞云伟*; 李永森; 谈伟伟; 戴子高; 双致密星并合引力波事件中的伽马射线暴, 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2020, 12(129502)

(3)Tan, Wei-Wei; Yu, Yun-Wei*; The Jet Structure and the Intrinsic Luminosity Function of Short Gamma-Ray Bursts, The Astrophysical Journal, 2020, 902(83)

(4)Zhu, Jin-Ping; Yang, Yuan-Pei; Liu, Liang-Duan; Huang, Yan; Zhang, Bing; Li, Zhuo; Yu, Yun-Wei; Gao, He; Kilonova Emission from Black Hole-Neutron Star Mergers. I. Viewing-angle-dependent Lightcurves, Astrophysical Journal, 2020, 897(1)：0-20

(5)Sun, Shangyu*; Yu, Wenfei; Yu, Yunwei; Mao, Dongming; Lin, Jie; A Search for Short-term Hard X-Ray Bursts in the Direction of the Repeating FRB 121102, Astrophysical Journal, 2019, 885(1)：0-55

(6)Luan Ze; Qiu, Taotao*; Towards degeneracy breaking of early universe models, Phys. Rev. D 101 (2020) 2, 023517

(7)Shi, Jiaming*; Katsuragawa, Taishi; Qiu, Taotao; Dark matter candidate induced by Horndeski theory: Dark matter halo and cosmological evolution, Phys. Rev. D 101, no.2, 024046 (2020)

(8)Chen, Hua; Katsuragawa, Taishi*; Matsuzaki, Shinya; Qiu, Taotao; Big Bang Nucleosynthesis Hunts Chameleon Dark Matter, JHEP 02, 155 (2020)

(9)Qiu, Taotao*; Katsuragawa, Taishi; Ni, Shulei; Confronting inflation models with the coming observations on primordial gravitational waves, Eur. Phys. J. C 80 (2020) 12, 1163.

(10)Qiu, Taotao*; Xiao Zehua; Shi Jiaming; Aljaf Muhsin; Potential-driven Inflation with Disformal Coupling to Gravity, Phys. Rev. D 102 (2020) 6, 063506

(11)Yang, Shu-Hua*; Pi Chun-Mei*; Zheng, Xiao-Ping*; Weber, Fridolin*; Non-Newtonian gravity in strange quark stars and constraints from the observations of PSR J0740+6620 and GW170817, 2020, Astrophysical Journal, 2020, 902：32

(12)Wei, Wei*;Yang, Shu-Hua; Bao, Ze-Han; Zhang, Chong; Gao, Chang; Fan,Wei-Ru; Multiple configurations of neutron stars containing quark matter, Chinese Physics C, 2020, 44(9)：094104

5.复杂性课题组：

复杂性课题组（4名教师：李炜、池丽平、邓为炳、蔡勖， 8名博士生：邓盛锋、谢容容、申建民、马飞、庹奎、徐点、陈向娜、杨寓翔）。2020年度，复杂性课题组主要研究进展简述如下。

1.非平衡相变普适类及机器学习分类

（1）二元随机接触过程反应亦被称为伴随扩散的对接触过程(PCPD)，可展现极为不寻常的激活-吸收态相变，其普适类性质一直具有争议性。提出了两类粒子耦合表征(CPCPD) 以抓住该系统在长时间、大尺度下的行为。主要结论：第一，平均场分析表明，不同于惯常的由零质量引起的相变，该系统的相变是由两类粒子密度的非线性平衡所驱使的。第二，通过蒙卡模拟比较吸收态以及临界点处的CPCPD 和PCPD 对应的序参量在一到三维格点空间的密度衰变指数，揭示了CPCPD 和PCPD 具有等价的标度行为并首次确切阐明了该系统的临界维度为2。第三，该两类粒子耦合表征自然地解决了种子模拟中必须由一个粒子起始的概念性困难，而通过标度分析进一步揭示了两种粒子的关联和交叉关联的存在有可能导致该系统中多个尺度的互相竞争。第四，通过对不同系统大小、不同扩散系数系统的含时矩比例进行数据坍塌，进一步揭示了CPCPD 和PCPD不仅在长时的

标度性质上等价，而且它们重标度时间后的演化动力学也是等价的。

（2）利用无监督机器学习方法研究了非平衡相变中的一类吸收相变–有向逾渗（directed percolation ，DP）在均匀粒子源和单粒子源情况下的相分类、临界阈值预测。结果显示，含有时间维度的非平衡 DP模型可以使用无监督学习进行学习，并能很好地区分逾渗相和吸收相。通过对 DP 的无监督学习，可以对两种不同粒子源的位型数据进行分类，亦能得到（1+1）d- DP的临界阈值。并且，均匀粒子源的DP 位型数据能够得到更加准确的预测结果，其在分类效果上明显优于单粒子源的 DP 位型。最后，我们将在（1+1）d 请路况表现良好的 PCA 和Autoencoder 用于（2+1）d- DP，结果显示 PCA 可以对不同概率下生成的（2+1）d- DP 位型进行分类，而 Autoencoder 不仅可以完成分类，而且还能预测此吸收相变的临界阈值。

2. 随机矩阵理论及其在复杂系统中的应用

(1) 广义泊松系综及其应用

基于非广延Tsallis熵，利用最大熵原理构造了广义泊松系统，发现该系综本征值的短程关联（NND）呈现重尾分布，而长程关联（NV）具有超泊松的行为。进一步，对蛋白质和DNA的实证数据进行分析，发现他们的本征值谱涨落服从广义泊松分布，而且拟合参数可以很好的描述不同蛋白质和DNA的性质，所以拟合参数可以用来作为蛋白质分类和DNA分类的衡量指标。另外，该项研究也可广泛应用于RMT适用的系统，且广义泊松系综也可应用于泊松分布失效的情况。

(2) 无序beta系统及其应用

多项研究表明，谱的统计理论可以作为非哈密顿量系统谱分析的有力工具。此类系统包括复杂网络，新冠时间序列数据及计量语言等。我们分析了以上系统的短程统计（NND）和长程统计（NV）。研究发现，短程统计具有鲁棒性，长程统计则表现出很大的涨落。这几种系统的NND可以用beta系综来拟合，而NV却服从无序，构造的无序精简beta系统结合了经典RMT系综的三个推广：beta系综，无序系综以及精简系综。我们展示了精简beta系综的矩阵元素和本征值可以用Tsallis熵来构建。长程统计服从泰勒定律，表明这种类型的谱存在涨落标度机制。研究还发现基于我们的方法可以给长程统计一个明确定义的参数，且该参数与数据的性质是相一致。

2020年度课题组发表论文2篇，参加国际会议5人次。

高水平论文列表：

1. S. Deng, W. Li, and U.C. Täuber，Coupled two-species model for the pair contact process with diffusion, Physical Review E, 102 (2020) 042126.

2. W. J. Zhang, Z. P. Guan, J. Y. Li, Z. Su, W. B. Deng and W. Li, Chinese cities’ air quality pattern and correlation, Journal of Statistical Mechanics 1742-5468 (2020) 043403.

6、粒子物理课题组

粒子物理课题组（6名教师：杨亚东，谢跃红，陈绍龙，李新强，尹航，袁兴博；5名博士后：严鑫帅，肖栋，Amit Dutta Banik，Shuichiro Funatsu，Srimoy Bhattacharya；15名博士生）。2020年度，粒子物理课题组主要研究进展简述如下。

1)在LHCb实验上对稀有衰变的寻找

衰变过程主要通过图1所示的费曼图进行，其中的三胶子熔合费曼图受到OZI规则的压低，介子混合过程有主要贡献。理论预期此过程的衰变分支比约为【Michael Gronau, Jonathan L. Rosner, Phys. Lett. B666 (2008) 185】。

图1. 衰变的主要费曼图。左图表示介子混合的贡献，右图表示OZI压低的三胶子融合过程的贡献。

我们利用LHCb实验采集的9的质子-质子对撞数据，对衰变进行了搜寻，其中。通过对和质量谱的分析，发现了的信号迹象，图2显示了和的不变质量谱。衰变分支比的估计值为, 在90%置信度下设置分支比上限。与之前的上限相比，新结果的搜索灵敏度显著提高，对理解介子衰变中的OZI压低机制提供了重要信息。此研究结果2020年度完成，并发表在Chin.Phys.C45（2021）043001。

图2. LHCb质子-质子对撞数据中的和不变质量谱及拟合结果。右图的紫色实线代表信号的贡献。

2)LHCb精确电弱测量对质子部分子分布函数的影响

在大型强子对撞机上，质子的部分子分布函数是一个重要的输入参数。LHCb探测器是单臂前向探测器，所收集的Z玻色子事例都是前冲事例，对应着极大或者极小的部分子分布函数。因此LHCb未来所收集的数据预期将对部分子分布函数产生较大影响。我们首先检查了LHCb对于各种夸克PDF的关联程度，确认LHCb数据将对极大和极小PDF产生影响，如图1所示。

图1: LHCb Z玻色子产生截面数据在不同的快度区间和部分子携带动量大小(x）之间的关联程度

随后，利用LHCb 2015数据所测量的Z玻色子产生截面结果，投影到 LHCb未来所获得得5 fb-1已经300 fb-1数据，使用ePump软件包来得到LHCb数据对于PDF拟合的影响。最终发现，对于u，d夸克的部分子分布函数有较大影响，特别是对d-bar/u-bar PDF在较大x区间有着显著的提高，如图2所示。

图2: LHCb 300fb-1数据对于d-bar/u-bar PDF的影响

此项研究结果于2020年度完成，并发表在Chin. Phys. C 45 (2021) 2, 023110。并对后续的实验测量提出了指导性意见。目前，LHCb使用2016-2018年所收集数据的物理分析已经进入物理组审核阶段，有望今年发表相关结果。

3)在R宇称破缺的最小超对称模型框架内，对B物理反常的解释

在R宇称破缺的最小超对称模型框架内，如若同时考虑两类较轻的费米子超对称伴子——子中微子伴子和右手底夸克伴子，我们发现B介子半轻衰变中的两类反常，即带电流过程中的反常和中性流过程中的反常，可以同时得到解释。同时，我们还研究了来自其它相关过程的约束，例如，衰变、混合、Z衰变，还有、、、、、和衰变。

在R宇称破缺的最小超对称模型中，我们找到了同时解释反常、反常、和反常等B介子半轻衰变中轻子味普适性破缺迹象的新物理参数空间，见图1中的紫色区域。

我们同时考虑了子中微子超对称伴子和右手底夸克超对称伴子。在我们重新计算了超势项对的一圈图贡献之后，发现箱图的贡献在已有的文献中被遗漏了，该贡献通常为正，不利于解释相关的反常观测量。进一步，我们发现当时，该箱图的贡献在数值上可以忽略。除了箱图的贡献被遗漏之外，我们还发现中微子超对称伴子对企鹅图的贡献不可忽略，因为该贡献存在对数增强。这一点在之前的文献中也是没有被提及的。由于该企鹅图贡献的是普适的，因此我们采用两参数方案来解释中的反常。利用和来解释B物理反常的新物理参数空间会受到来自其它过程的约束。最强的约束来自于衰变、混合和Z玻色子衰

图1: 在R宇称破缺的最小超对称模型中，可同时解释B介子半轻衰变中轻子味普适性破缺迹象的新物理参数空间（紫色区域）

变。除此之外，也可以带来少量约束，而其它过程，例如、、、、、和衰变则不能提供有效的约束。该研究结果可以为今后即将到来的测量B物理反常的实验提供参考。

相关研究发表在Eur.Phys.J.C 80 (2020) 5, 365。

4)在软共线有效理论框架下，完整地给出了B介子两体非轻无粲衰变中QCD企鹅振幅的两圈QCD修正

B介子两体非轻无粲衰变在精确抽取CKM幺正三角形的三个相角、检验描述CP破坏的小林-益川机制，以及深入理解描述强相互作用的QCD理论的微扰和非微扰特性等方面均具有重要意义。为了进一步提高理论预言的精度，我们需要计算对这类过程的衰变振幅的高阶QCD和高阶幂次修正。为此，我们采用当前国际上比较流行的QCD因子化方法和软共线有效理论，并利用近年来发展起来的多圈费曼图的解析计算技术，首次完整地计算了领头幂次近似下QCD企鹅振幅的两圈QCD修正。同时，我们显示地证明了共线因子化定理在两圈水平上是成立的。数值上，我们发现，虽然流-流算符和QCD企鹅算符各自可带来较大的修正，但两者之间存在着显著的抵消，从而使得这些高阶修正项对最终结果的影响很小，且和次零头阶下的结果十分接近，如图1所示。另一方面，正如通常所期望的，这些高阶修正确实可显著地降低QCD企鹅振幅对重整化标度的依赖性。结合前期已经完成的对树图振幅的两圈QCD修正，这使得我们可以在重夸克展开的零头幂次近似下，首次对B介子两体非轻衰变过程的直接CP破坏进行次次领头阶下的预言。相关研究发表在JHEP 04 (2020) 055。

图1：在微扰论的不同阶下对QCD企鹅振幅和的理论预言

5)首次指出由于中性K介子的混合效应，该过程的角分布中应存在非零的CP破缺，并建议在Kπ不变质量谱的两个特定区间来测量这一效应

相对于电子和μ子，τ轻子相对较重，既能衰变到轻子末态，又能衰变到强子末态，因而有众多的衰变道可供测量。在标准模型框架内，τ轻子弱衰变的动力学机制十分清楚，只有末态强子参与强相互作用。这使得τ轻子半轻衰变过程成为研究强相互作用的各种低能行为和探索标准模型之外的相互作用形式的理想平台。由于在τ轻子物理方面的研究优势，Belle-II和超级τ-粲工厂等高亮度味物理实验的运行将进一步推动相关理论研究的快速进展。在τ轻子的半轻衰变过程中寻找新的CP破缺形式也一直是τ轻子物理领域的一个研究热点。我们细致地研究了τ→KSπν过程的角分布中的CP不对称性。通常，我们认为在标准模型框架内该衰变过程的角分布中是不存在CP不对称性的，而非零的CP不对称性只能来源于标准模型之外的新物理贡献。然而，我们首次指出，当把中性K介子混合效应考虑进来之后，即使在标准模型框架内，τ→KSπν衰变过程的角分布中也存在非零的CP不对称，并建议Belle-II在Kπ不变质量谱的两个特定区间来测量这一效应。虽然我们的理论预言低于当前Belle实验的探测灵敏度，但却预期Belle-II实验可以观测到这一效应。相关研究发表在JHEP 05 (2020) 151。

2021年度课题组共发表论文10余篇，参加国际会议10人次；培养博士研究生3名。

高水平论文列表如下：

1) Freeze-in Dirac neutrinogenesis: thermal leptonic CP asymmetry.

By Shao-Ping Li, Xin-Qiang Li, Xin-Shuai Yan, Ya-Dong Yang.

10.1140/epjc/s10052-020-08696-z.

Eur.Phys.J. C80 (2020) no.12, 1122.

2) CP asymmetry in the angular distribution of $\tau\to K_S\pi\nu_\tau$ decays.

By Feng-Zhi Chen, Xin-Qiang Li, Ya-Dong Yang.

10.1007/JHEP05(2020)151.

JHEP 2005 (2020) 151.

3) Two-loop non-leptonic penguin amplitude in QCD factorization.

By Guido Bell, Martin Beneke, Tobias Huber, Xin-Qiang Li.

10.1007/JHEP04(2020)055.

JHEP 2004 (2020) 055.

4) Probing new physics signals with symmetry-restored Yukawa textures.

By Shao-Ping Li, Xin-Qiang Li.

10.1140/epjc/s10052-020-7839-4.

Eur.Phys.J. C80 (2020) no.3, 268.

5) Revisiting the B-physics anomalies in R-parity violating MSSM.

By Quan-Yi Hu, Ya-Dong Yang, Min-Di Zheng.

10.1140/epjc/s10052-020-7940-8.

Eur.Phys.J. C80 (2020) no.5, 365.

6) Fermion pair production at $e^-e^+$ linear collider experiments in GUT inspired gauge-Higgs unification.

By Shuichiro Funatsu, Hisaki Hatanaka, Yutaka Hosotani, Yuta Orikasa, Naoki Yamatsu.

10.1103/PhysRevD.102.015029.

Phys.Rev. D102 (2020) no.1, 015029.

7) Effective potential and universality in GUT-inspired gauge-Higgs unification.

By Shuichiro Funatsu, Hisaki Hatanaka, Yutaka Hosotani, Yuta Orikasa, Naoki Yamatsu.

10.1103/PhysRevD.102.015005.

Phys.Rev. D102 (2020) no.1, 015005.

8) CKM matrix and FCNC suppression in $SO(5)\times U(1) \times SU(3)$ gauge-Higgs unification.

By Shuichiro Funatsu, Hisaki Hatanaka, Yutaka Hosotani, Yuta Orikasa, Naoki Yamatsu.

10.1103/PhysRevD.101.055016.

Phys.Rev. D101 (2020) no.5, 055016.

9) Leptogenesis in fast expanding Universe.

By Shao-Long Chen, Amit Dutta Banik, Ze-Kun Liu.

10.1088/1475-7516/2020/03/009.

JCAP 2003 (2020) 009.

10) Singlet-doublet fermionic dark matter and gravitational waves in a two-Higgs-doublet extension of the Standard Model.

By Basabendu Barman, Amit Dutta Banik, Avik Paul.

10.1103/PhysRevD.101.055028.

Phys.Rev. D101 (2020) no.5, 055028.

7、唯象课题组

高能碰撞唯象学课题组（7名教师：吴元芳、杨纯斌、付菁华、刘复明、周代梅、李治明、许明梅。5名博士生：杨鹏，林裕富，李笑冰，张东海，吴锦）。2020年度，高能碰撞唯象学课题组主要研究进展简述如下。

1）间歇指数作为寻找QCD相变的一个有效信号的研究

利用三维Ising普适类的临界蒙特卡洛模型研究目前实验上测量到的金核-金核碰撞的重子数密度起伏与表征无穷自相似性的间歇指数之间的关系。通过STAR实验测量的7.7-200GeV的轻核粒子的产额得到的重子数密度起伏计算不同碰撞能量下的间歇指数，研究在不同BES I能量下的标度性质。发现间歇指数随能量的增大表现出非单调行为，并且在20-27GeV区间系统的无穷自相似性的起伏最大。我们指出间歇指数可以作为实验上寻找QCD相变的一个有效信号之一。【吴锦，林裕富，吴元芳，李治明, Phys. Lett. B 801,（2020）135186】

     

 

2）奇异和多奇异粒子产生研究

基于部分子、强子级联模型PACIAE模型，考虑到Lund弦碎裂过程中，随着能量的增大弦不能再单纯地看做纯偶极态，即不能继续用表征弦张量的大小，因此需要构建有效弦张量。我们引入单弦有效弦张量定量的描述弦中胶子皱缩的影响；引入多弦有效弦张量定量地描述弦密集环境中多根弦相互作用的影响；通过单弦和多弦的耦合，得出单弦与多弦相耦合的有效弦张量。用四种弦张量情形研究了的Pb+Pb碰撞中奇异和多奇异粒子产额相对带电介子的比值随多重数或平均参加者核子数的变化关系，并与实验结果比较。先用缺省的Parj(2)=0.3,Parj(3)=0.4模拟了弦张量分别为、、和四种情形下的结果。发现引入能够很好描述粒子；能很好的描述粒子；能很好描述粒子 ；但是所以情形都不能描述粒子。因此引入第五种情形：在的基础上，把Parj(2)和Parj(3)的值扩大到缺省值的1.5倍，即取Parj(2)=0.45, Parj(3)=0.6，有效弦张量用表示。在此情形下，PACAIE模型能很好地描述粒子的实验结果，这是其它理论模型未能做到的。【周代梅，郑亮，闫玉良，宋志宏，陈刚，李笑梅，蔡勖，萨本豪，Phys. ReV. C 102 (2020) 044903】

2020年度课题组发表论文7篇。

高水平论文列表：

1、吴锦，林裕富，吴元芳，李治明， Phys. Lett. B 801,（2020）135186

2、周代梅，郑亮，闫玉良，宋志宏，陈刚，李笑梅，蔡勖，萨本豪，Phys. ReV. C 102 (2020) 044903

3、江泽方， 佘丹，杨纯斌，侯德富, Chinese Physics C44 (2020) 8, 084107

4、李治明，吴锦,  JPS Conf. Proc., 010083 (2020).

8、粒子探测器与快电子学技术课题组

（10名教师：孙向明、高超嵩、郭迪、裴骅、王东、汪虎林、王亚平、肖乐、杨萍、张冬亮）。2020年度，粒子探测器与快电子学技术课题组

主要研究进展简述如下。

1.NICA项目

“重离子超导同步加速器（NICA）上的关键技术合作研究”项目是中国和俄罗斯的战略性科技创新合作项目。硅像素实验室承担了“基于硅像素的内径迹探测器合作研制”课题的研究。拟研制的 MPD/IT 顶点探测器计划由 5 层构成，其中内三层需研制新型大尺寸超低物质量超低功耗高速硅像素芯片。外两层则采用 ALPIDE 硅像素芯片研制探测器。此外，项目还包括读出电子学的研发来实现硅像素芯片的高速数据流读出。2020年进展如下：（1）举行了“基于硅像素的内径迹探测器合作研制”课题启动会。（2）举行了3次中俄双方MPD/IT全体工作组讨论会,落实了关键技术方案和实施细节等。（3）完成了大尺寸超低功耗高速硅像素芯片整体方案设计；展开了像素芯片第一次流片相关电路模块的设计；展开了像素传感器灵敏单元相关的结构仿真和灵敏单元测试电路设计。展开了晶元剪薄和弯曲技术的研究。（4）完成了读出电子学“读出模块”和“电源模块”的资料调研、设计参数及接口确认和整体结构设计，以及关键功能模块的划分，启动关键元器件的选型。（5）数据接收与传输芯片方面（NICA_ROC）：进行芯片整体结构的设计，以及关键功能模块的划分，启动核心模块方案设计。（6）数据接口芯片方面（NICA_GBTx）：完成该芯片内锁相环电路, 串并转换电路子模块设计并流片；初步完成时钟恢复模块、并串转换模块设计。（7）完成物理仿真所需的软硬件环境搭建；开展NICA-MPD相关物理的调研工作，初步完成ITS探测器的性能研究报告；模拟人员在MPDroot中找到了ITS的原始几何构型文件，并可以成功运行程序，产生模拟事件在ITS中的击中信号，下一步需要对模拟产生的数据进行分析，重构目标粒子。

晶元剪薄弯曲

基于stitching技术的探测器内三层大尺寸硅像素芯片结构

2.CEE束流定位探测器项目

低温高密核物质测量谱仪(CSR External-target Experiment，简称CEE) 将是我国第一台运行于GeV能区的、自主研制的、基于国内核物理大科学装置HIRFL-CSR的大型核物理实验装置。硅像素实验室承担了束流定位探测器的研制。2020年度进展如下：完成了探测器机械结构设计与模拟：机械结构由场笼、阴极板、网、丝、像素芯片和读出板组成，模拟了电荷收集效率和信号宽度，信号宽度小于100ns；完成了像素芯片原型设计：确定了芯片所需工艺为GSMC RF 130nm，与代工厂签署了NDA 协议，掌握了该工艺的设计流程和规则，像素芯片原型由1列256行像素前端和优先级逻辑电路组成，测量能量、到达时间信息和位置信息。完成了后端读出方案设计，确定了慢控参数，订购了高速电缆和接插件，设计了电缆测试板，完成了径迹寻找算法验证，完成了serializer测试板设计和测试。发表了1篇SCI论文。

Topmetal-CEE原型芯片

探测器机械结构

3.CEE 零度角量能器项目

CEE 项目是国家自然科学基金委在2019年批准的重大仪器专项，目的是在兰州重离子加速器的冷却储存环（CSR）上搭建外靶探测器，并作为大科学装置平台，针对非对称核物质在高重子密度区的演化展开研究，尤其是碰撞系统的非对称性以及产生的各阶流。作为CEE项目的一个子系统，零度角量能器的任务是在向前快度区进行重离子碰撞的中心度和事件反应平面的测量，提供核-核碰撞事件性质的重要信息。在2020年的主要进展包括以下几方面：1）通过结合核-核碰撞的完整事件模拟例如IQMD模型，以及借鉴国内外现有的其它大科学装置经验，确定了零度角量能器的几何构型。2）进行了原理样机的研发，通过对比不同技术在宇宙射线和放射源测试，并结合更高的束流能量下模拟结果，决定采用塑料闪烁体与光电倍增管构成模块单元。目前具有初步物理测量能力的下一版本的原理样机正在制造进程中。3）进行了探测器电子学的研发，目前已经制造出原理样机，可在40MHz的系统时钟（CEE项目标准）下进行16通道数据采样，能够满足 CEE 外靶实验预期束流强度下的20kHz触发要求。

4.CEPC顶点探测器像素芯片研制项目

硅探测器的主要研究内容为设计高分辨率、快速读出、低功耗CMOS像素芯片。基于指标要求，我们选择国际上主流的单片型CMOS像素传感器技术，在TowerJazz CIS 0.18µm四阱、高阻工艺上开展研发。本年度课题承担单位高能物理所和华中师范大学，联合山东大学和大连民族大学部分人员，组成一个设计团队，在优化分辨率前提下，完成了全功能、大阵列芯片JadePix3的设计，于2019年底提交TowerJazz流片，2020年6月芯片回来开始测试。JadePix-3结合了前期芯片MIC4的前端电子学设计和JadePix-2的阵列读出方式，并做了进一步优化：像素内集成一个DFF触发器用于信号锁存和逐行读出，数据通过阵列底端的数据压缩模块后以400MHz的速率顺序读出。包含4种不同的像素内设计, 信号处理速度200纳秒/行。新的小面积（高分辨）、低噪声、低功耗像素前端和列级优先级地址编码、数据压缩阵列数据读出电路是本设计的特色。整个芯片面积10.4mm×6.1mm，像素尺寸相对前期设计减小到16µm×23.1µm和16µm×26µm，阵列规模已经接近CEPC实用的水平。

JadePix-3预期性能将全部达到本项目芯片最终指标，目前正在开展测试系统，其电学测试结果符合预期，准备进行束流实验以准确验证空间分辨率等指标。

5.Topmetal-S芯片测试

Topmetal-S是硅像素实验室为NνDEx无中微子双贝塔实验研制的一款用于信号读出阵列的芯片。该芯片具有无放大电荷信号探测能力和低噪声，是NνDEx实现预期高能量分辨率和本底去除能力的关键器件。2020年，我们在2019年测试的基础上基本完成了第一版Topmetal-S芯片的测试。针对2019年测试中观察到的α射线电离出的电子数少的问题，我们对α源、实验气腔、高压系统、气体系统进行了逐一排查并排除。最后通过对芯片上Guard-ring电容的测量发现该电容实际值与仿真软件提供的值存在近16-20倍的偏差，可以很好的解释测得电子数少的结果。这说明芯片目前的能量分辨率还没有达到设计值。经过分析，我们发现原因在于芯片的部分偏置电压受到了输出的影响，没有工作在设计的工作点上，导致内部电荷灵敏放大器无法实现设计的放大倍数。目前新一版的芯片正在设计中。通过对各个偏置电路进行屏蔽，避免相互干扰，这个问题将得到解决。Topmetal-S芯片的测试进展在10月份兰州近代物理研究所举办的第二届NνDEx实验研讨会上进行了报告。

6.Topmetal-M芯片研发

TopmetalM是基于国产华虹宏力（GSMC）130nm CMOS工艺研制的一款大面积阵列式低噪声像素探测器芯片，具备高性能的位置、能量以及时间分辨能力。TopmetalM首次提出以Topmetal+MAPS相结合的电荷收集方式，可有效提升探测面积，并可以根据需要选择其中一种或两种电荷收集方式，大大提升了芯片的可适用范围，在粒子探测和成像领域应用前景广泛。2020年主要进展如下：完成芯片扫描模块测试、单个像素ENC测试、单个像素的TAC时间分辨测试以及像素阵列的一致性测试；完成α源及X射线源测试；到兰州近物所进行束流定位测试。针对测试中出现的噪声大、TAC输出影响CSA输出、CSA复位延时等问题，已进行原理图和版图的修改，第二版芯片即将流片。

7.高速数据传输系列芯片

在高速数据传输系列芯片研发方向上，2020年进展主要分为两个方向。一个是与该方向相关的“抗辐射高速光纤数据传输模块与激光器驱动芯片”面上项目进入实施第三年，在本年度内完成了4 x 14Gbps激光器驱动芯片的设计并流片，同时定制化光模块的原型样品也在本年度内完成设计。另一个方向为承担NICA项目中3款相关芯片(NICA_GBT, NICA_LD和NICA_TIA)的设计任务。其中NICA_GBT芯片位于NICA_ROC芯片之后，是一个通用的双向数据接口芯片，其将接收来自NICA_ROC的多通道数据，完成数据扰码、编码、组帧及串并转换后，交由其后的NICA_LD激光器驱动芯片，转化为上行(uplink)的高速数据流；同时NICA_GBT也将接收来自NICA_TIA的下行(downlink)高速串行数据流，完成串并转换、解码等功能，将来自后端的控制、时钟、Trigger等信号解码分发至前端。本年度内，对NICA_GBT芯片的具体功能及指标进行了初步分解，主要包括面向前端(NICA_ROC)的双向Tx/Rx接口D-Link、编解码模块Encode/Decode、高速并串/串并转换模块、时钟模块PLL、时钟恢复模块CDR等。同时对NICA_GBT芯片的组帧格式、编解码方式进行了初步了解。根据项目进展规划，2020年度内对其中的高速串并转换16:1 Deserializer模块、PLL时钟模块完成设计并流片，该项计划已在2020年内顺利完成，流片芯片的示意图如下图所示。

NICA_GBT芯片中的PLL和Deserializer子模块2020年流片Layout示意图

8.像素芯片脉冲信号处理方法研究

为了得到量能器中信号的幅度和时间信息，通常的做法是使用CR-RCn整型电路进行脉冲成形，通过测量成形后脉冲最大值的幅值和时间，可以推断量能器中原始信号的相关信息。但是，由于高能物理探测器的特殊性（长期漂移、短时改变以及随机噪声），非理想条件下的传统方法曲线拟合难以获得最优的效果。为了面对这一困难，我们提出采用深度神经网络进行回归，获取成形脉冲的信息。实验表明，该方法能够很好地克服以上三种影响，提高信息提取的准确性。同时能够更好的在高能物理中应用深度学习的方法，我们设计了专用深度学习芯片，首次将深度学习加速器ASIC用于高能物理的应用场景中。该项研究成果已发表于P. Ai et al, 2019 JINST 14 P03002，P. Ai et al, NIMA 978 (2020) 164420，在脉冲信号的软硬件处理上提出了新的方法。

9.ALICE/ITS2和MPD/ITS组装与测试

课题组于2019年7月份完成450个ALICE/ITS2外层混合集成电路模块（OB-HIC）的组装与测试任务，正式生产期间的良品率达81%。随着，课题组安排1名研究生从2019年8月至今，参与ITS2探测器的数据质量控制方面的工作。数据质量控制（Data Quality Control, QC）的目标是在数据采集的各个过程中，快速的检查数据的质量，并给出反馈。QC可以最直观、快速的检查探测器的运行状态以及数据的采集情况，同时当探测器发生故障时也能最快的为相关专家提供信息。这对于探测器的维护、径迹的重建以及后续的数据分析都极其重要。ITS2的QC通过对假击中率（Fake-Hit Rate，FHR）、平均阈值（Threshold Scan，THS）、前端电子学（Front-End Electronic，FEE）、簇团（Cluster）以及径迹（Track）的监测，给出探测器被击中、阈值和读出电子学等探测器运行状态信息。其中假击中率是由本课题负责开发和维护。

(左图)第0层芯片平均像素占空比；(右图)IB第0层占空比随隐藏像素数的变化

课题组于2020年6月份启动了NICA MPD/ITS硅像素探测器研制项目。鉴于物理测量目标，确定了NICA MPD/ITS项目外两层探测器混合集成电路（HIC）模块和探测器Stave模块的结构与设计将采用ALICE ITS升级项目中HIC和Stave模块的组装与测试方案（如下图所示），技术文档已整理。HIC模块的集成与测试要求在低湿度的千级洁净间完成，而Stave集成与测试将在万级洁净度的超净间完成。

MPD外两层ITS探测器模块的几何结构。

项目年度进展主要包括三个部分：

1. 讨论并明确中俄双方在NICA/MPD ITS硅探测器研制项目中的任务及目标：2020年9月25日，双方的项目主要负责人参会，就硅像素芯片研制、读出电子学开发、外两层硅像素探测器集成与测试等方面的任务和组织结构展开了深入的讨论: https://indico.jinr.ru/event/1561/。讨论确定了武汉华中师范大学和兰州近代物理研究所作为2个硅像素探测器研制与生产点，参与外两层硅像素探测器集成与测试方面的任务。

2. 外两层硅像素探测器集成与测试平台的搭建准备：（1）武汉点落实了三坐标测量机（CMM）、测量显微镜、剥离强度测试机等关键设备的参数配置和询价；（2）集成与测试方面的技术文档整理，已上线合作组内共享: https://disk.jinr.ru/index.php/s/NiMTFBMCwDE8c4p

3. 落实探测器集成与测试的技术方案等：（1）分别于2020年10月16日(https://indico.jinr.ru/event/1637/，会议纪要见页面)、2020年10月30日(https://indico.jinr.ru/event/1663/，会议纪要见页面)和2020年11月25日(https://indico.jinr.ru/event/1709/，会议纪要见页面)与俄罗斯JINR合作方举行了讨论会；（2）确定了硅像素探测器集成与测试任务的中俄双方实验设施、原材料、技术人员等方面的现状和计划，已上线合作组内共享: https://disk.jinr.ru/index.php/s/QApFPHxDsWK2Hgz ；（3）讨论了集成与测试技术方案、原材料运输等细节问题。其中第一批240片dummy ALPIDE芯片和15片dummy FPC已运抵本实验室，用于机器调试和技术人员培训。

MPD/ITS HIC和Stave模块集成与测试的流程图

2020年度课题组发表论文7篇，国际会议（网络）报告2次，毕业硕士研究生4人，在研国家级基金项目11项。

高水平论文列表：

1.Biao ZHANG, Li-ang ZHANG, Wenjing DENG, Jun LIU, Wenjing ZHANG, Donghai LIU, Yalei TAN, Yaping WANG*, Xiangming SUN, Zhongbao YIN, Daicui ZHOU, Guangming HUANG, Nu XU. Inner Tracking System Upgrade for the ALICE Experiment. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 734-741.

2.Chaosong Gao,∗ , Mangmang An , Jun Liu , Guangming Huang , Xiangming Sun; A low-power small-area 6T SRAM cell for tracking detector applications, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 980 (2020) 164434

3.P. Ai et al, 2019 JINST 14 P03002

4.P. Ai et al, NIMA 978 (2020) 164420

9、华中师范大学核科学计算中心

   

课题组成员：一名教师丁亨通、一名外聘技术人员孙少斌、7名硕士，4名博士

2020年，格点QCD小组共发表论文6篇，其中有一篇2020年完成的工作于2021年2月发表于Phys.Rev.Lett.，宣讲学术报告12人次，组织为期十天的线上会议一次。计算中心支持了其他课题组的大部分论文。

下面简述2020年格点课题组主要研究进展：包括论文、学术交流及会议组织。

一：论文

1. 与国内外合作者们第一次建立了狄拉克本征值谱对夸克质量的偏导与狄拉克本征值谱的关联函数之间的解析关系。这从而解决了狄拉克本征值谱对夸克质量的偏导不能直接被计算的问题。我们利用华中师大核科学计算中心的计算资源，为了规避在手征相变温度附近计算需求资源大的问题，我们在远高于手征相变温度的温度即205MeV下产生、测量量子色动力学组态并进行数值分析，计算了本征值谱的关联函数，以及量化了QCD手征反常对QCD手征相变的影响。由此我们首次得到了在连续及手征极限下QCD手征反常对QCD手征相变的影响的大小，结果间接地表明在手征相变温度处QCD相变应为服从O(4)普适律的二阶相变。 该结果于2021年2月发表在Phys. Rev. Lett.上。

2.与合作者利用格点量子色动力学计算得到了8阶的泰勒展开系数，由此得到了重子数3、4、5、6阶累积矩比率(cumulant ratio)的结果,并与STAR/RHIC合作组最新、最高统计量的束流能量为54.4 GeV的关于3、4、6阶累计量比率初步数据进行了比较，发现3、4阶格点计算与实验符合，但在6阶时实验和格点计算的不同，而且符号相反。 这可能暗示着新的、超出平衡态的物理。结果发表在Phys. Rev. D 101(2020) 04502.

3. 早期的在利用标准交错费米子、大夸克质量的格点研究中人们发现了磁催化，而在利用改进的交错费米子、物理夸克质量的格点研究中人们发现了反磁催化。我们采用了标准的交错费米子、在夸克质量很小的情况下开展格点QCD研究，仅仅观察到了磁催化效应，这表明早期格点研究中并没有观察到反磁催化效应与夸克质量太大不太相关，而与格点的离散效应更相关。我们同时发现相变的强度随着磁场的增强总是增强，并观察到了一阶相变。结果发表在Phys.Rev.D102(2020)054505.

4. 我们讨论在淬火近似下的重夸克偶素的两点关联函数与微扰QCD的比较结果，给出了重夸克输运系数的初步结果(PoS LATTICE2019 (2020) 207)

5.我们研究了在趋于手征极限下的费米子矩阵的本征值谱，结果由课题组博士生张瑜在第37届格点场论国际会议上以口头报告的形式宣讲PoS LATTICE2019 (2020) 251

6. 我们利用高度改进的交错费米子（HISQ）研究了在零温度下的赝标量介子质量随磁场强度的变化关系。结果由结果由课题组博士生汪晓丹在第37届格点场论国际会议上以口头报告的形式宣讲 PoS LATTICE2019 (2020) 250。

二、学术交流情况列举如下：

1)课题组负责人邀请报告：

1. High order cumulant ratios of net baryon number fluctuations——Lattice QCD meets experiments, internal talk in STAR collaboration, Mar. 24, 2020, online

2. Hot and dense Lattice QCD——supercomputing nuclear matter in extreme Conditions, seminar at 岳麓云端, a joint online seminar at 湖南大学和中南大学，2020.7.20

3. QCD phase structure in a background magnetic field, International online Workshop on criticality in QCD and the Hadron Resonance Gas, 29-31 July, 2020, organized by Wroclaw university, Poland

4. QCD phase structure from Lattice QCD, the 7th RHIC-BES Theory and Experiment online Seminar, Sep. 15, 2020

5. Correlated Dirac Eigenvalues and axial anomaly in Chiral symmetric QCD, RIKEN-BNL seminar, Nov. 19, 2020, postponed to Jan. 14, 2021

6. Correlated Dirac Eigenvalues and axial anomaly in Chiral symmetric QCD, the 15th Hadron Physics Forum joint with USTC seminar, Dec. 10, 2020

7. Scientific opportunities and computing challenges in Hot & Dense Lattice QCD, 高能物理与高性能计算物理研讨会，中国科学院计算机网络信息中心， 2020.12.14

2)课题组学生报告:

1. 邀请报告，张瑜，Correlated eigenvalues and chiral anomaly in chiral symmetric QCD, Online seminar in Tsukuba University, Japan, Dec. 15, 2020

2. 邀请报告，张瑜，Correlated eigenvalues and chiral anomaly in chiral symmetric QCD, Online seminar in Tokoyo University, Japan, Nov. 16, 2020

3. 分会报告，张瑜，Correlated eigenvalues and chiral anomaly in chiral symmetric QCD, XXXII International (ONLINE) Workshop on

High Energy Physics “Hot problems of Strong Interactions”,Nov.9-12, 202

4. 分会报告，张瑜，Dirac eigenvalue spectrum and its relation to U(1)A symmetry breaking in high temperature Nf = 2 + 1 QCD, online Asia-Pacific Symposium for Lattice Field Theory (APLAT 2020), Aug.4-7, 2020, organized by KEK, Japan

5. 分会报告，汪晓丹，Gell-Mann-Oakes-Renner relation in external magnetic fields at zero temperature, online Asia-Pacific Symposium for Lattice Field Theory (APLAT 2020), Aug.4-7, 2020, organized by KEK, Japan

三、会议组织

基于计算中心，联合NVIDIA公司在线上举办了OpenACC GPU Hackathon China 2020@CCNU活动。该次活动为OpenACC GPU Hackathon全球项目在中国举办的第4次活动，旨在提升中高级用户利用GPU加速应用性能的能力。在为期十天的活动中，参加队伍与指导老师共同讨论并动手实操，对自有高性能计算应用进行了GPU移植与优化。本次活动是今年在国内举办的第一次OpenACC GPU Hackathon活动，也是第一次完全在网上举办的活动。在GPU Hackathon活动开始之前，我们亦通过提供实际算例面向普通用户进行了一天的针对OpenACC及GPU程序诊断工具Nsight的培训。

本次活动面向全国科研院所及高校募集粒子物理与核物理方向的应用团队。经过筛选，来自中科院高能物理研究所、中科院近代物理研究所、中科院理论物理研究所、北京大学、大连理工大学、湖南大学、湖南师范大学、中国科学技术大学、郑州大学和华中师范大学等单位的9个应用组成的8支队伍参加了本次活动。活动还有幸邀请到来自国内、美国、德国及印度的19位一线资深开发者担任指导老师，其中有包括PGI编译器开发成员在内的PGI以及熟悉格点QCD应用库QUDA的NVIDIA工程师。

在为期十天的活动中，各应用团队在指定的两位导师指导下对应用代码及优化目标进行了评估，选用OpenACC或CUDA等编程模型对提交的应用代码进行了GPU移植与优化。整个活动均利用zoom和slack在线上进行，大部分时间由各团队与指导老师利用slack在线上自由讨论、共同解决问题，并在每天固定时间利用zoom在线上进行简短的汇报及交流讨论。

在活动的最终汇报环节，各团队总结了十天中使用的技术路线、碰到的技术问题、实现的优化效果及进一步推进的计划。参加的9个应用中，来自大连理工大学团队的泛函重整化群(FRG)应用在OpenACC编程框架下实现了最高279倍加速的优化效果。活动结束时，参加活动的各团队都纷纷表示在活动中收获很多，并将在活动结束后按照活动中获得的路线图继续进行下一步的优化工作。