2023年原子核物理科技热点回眸

核科学致力于研究从宇宙诞生初期到天体演化过程中的极端物质形态,一直以来是物质科学的前沿。其在今日仍不断有创造性的发现,并有着不可替代的作用。简要回顾了2023年原子核物理科技发展的前沿与热点,具体围绕长程规划与大科学装置、放射性核束物理、高能核物理、中微子物理、天体核物理等方向,其中不乏国内引领的优秀工作。而这些方向的突破为未来核科学的发展奠定了基础,也为国家安全、技术发展、人体健康和社会经济繁荣做出前所未有的贡献。

重离子碰撞中守恒荷涨落与QCD相变的输运模型研究

相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)-STAR(Solenoid Tracker at RHIC)实验测量了√s_(NN)=7.7~200 GeV能量下Au+Au碰撞中的净质子(净重子的代表)、净电荷和净K介子(净奇异数的代表)多重数分布的累积量,发现净质子四阶累积量与二阶累积量之比(κσ^(2))呈现出了非单调的能量依赖性行为。在相对论重离子碰撞实验中只能测到末态粒子的信息。因此,基于多相输运(A Multi-Phase Transport,AMPT)模型对Au+Au碰撞系统中守恒荷(重子数、电荷数和奇异数)的涨落性质进行了研究,发现AMPT模型的结果基本能描述RHIC-STAR实验结果。更重要的是,利用AMPT模型了解了相对论重离子碰撞动力学演化过程中几个关键效应(守恒荷粒子的产生和扩散、强子化、强子再散射和弱衰变)对守恒荷涨落演化及其粒子关联函数的影响。发现正负电荷之间关联可能源于弦熔化机制,重子(质子)关联函数符合重子数守恒期望,奇异数(净K介子)的关联函数源于对产生,这些代表量与守恒荷的对应关系行为上定性一致,但数量不同。虽然AMPT模型目前缺乏临界涨落机制,但我们的结果可以为守恒荷涨落的研究提供一条基线,这有助于在相对论重离子碰撞中寻找量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)临界点(Critical End Point,CEP)附近可能的临界行为。初步在模型中考虑临界密度涨落,结果发现它起着一定的作用。

相对论重离子碰撞中的手征效应实验研究

量子色动力学中夸克和拓扑胶子场的相互作用可以产生局域宇称和电荷共轭宇称不守恒,这为解释宇宙中物质-反物质的不对称性提供了一种可能.在强磁场下,宇称不守恒会导致粒子按正负电荷分离,此现象称为手征磁效应(CME).相对论重离子对撞中与CME类似的手征反常效应还有手征涡旋效应(CVE),以及手征磁波效应(CMW)等.本文简要综述了当前相对论重离子碰撞实验中CME,CVE,CMW的研究进展.

2022年原子核物理科技热点回眸

作为连接微观粒子物理与介观原子分子物理的桥梁,核科学是一个广泛而多样的学科。从宇宙大爆炸后几个微秒内生成的夸克-胶子等离子体,到质子和中子的形成开始以及元素的合成与演化,再到天体核过程的恒星爆炸和中子星并合,原子核物理学是我们理解宇宙的基础。同时,经过百余年的发展,核物理领域仍有蓬勃的生命力,大量未知现象的发现与科技的发展为人类带来了新的机遇与挑战。简要回顾了2022年原子核物理科技发展的前沿与热点,其中不乏国内引领的优秀工作。而这些方向的突破也为基础科学的发展、国家安全的保障和其他社会应用开辟了新的途径。

重离子碰撞中的轻核产生和QCD相变

寻找量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)相变信号是当前重离子碰撞实验的一个基础科学目标,对理解强相互作用物质的性质、大爆炸初期的宇宙演化、超新星的爆发机制、致密星的内部结构以及双中子星并合产生的引力波等重要前沿问题都具有重要意义。当重离子碰撞中发生非连续QCD相变时,引发的强相互作用物质的密度涨落与关联可以通过轻原子核的产额观察量来探测。核子间的多体关联决定了重离子碰撞中轻核的产额。特别地,基于核子并合模型对于轻核产额的计算表明质子(p)、氘核(d)和氚核(t)的产额比值N_(t)N_(p)/Nd_(2)敏感于核子密度涨落与关联,是一个较好的寻找QCD相变信号的可观测量。进一步,基于输运模型对于重离子碰撞中的手征相变的模拟发现,当系统的相轨迹经过一阶相变区域时,轻核产额比值N_(t)N_(p)/Nd_(2)有明显增加。这些结果为利用重离子碰撞中的轻核产生寻找QCD相变提供了理论依据。

中高能重离子碰撞中的电磁场效应和手征反常现象

重离子碰撞可以产生极强的电磁场和高温高密量子色动力学(QCD)物质,诱导很多重要手征反常现象,例如手征磁效应和手征磁波.本文围绕手征反常现象中的诸多物理要素,详细介绍包括相对论重离子碰撞中不同碰撞系统和能量下的电磁场特性、同质异位素碰撞中寻找手征磁效应、手征磁波特性、中低能重离子碰撞中磁场效应等一系列与电磁场和手征反常现象相关的理论研究成果.相关研究有助于实验中寻找强相互作用中的电荷宇称(CP)破缺的证据,加深对QCD真空涨落和宇宙中正反物质不对称问题的理解.

原子核中的α团簇对核反应与相对论重离子碰撞的影响

团簇结构可以稳定存在于原子核的内部。研究原子核的α团簇结构及其影响在核物理与天体物理中是一个十分重要的课题。在过去几十年里,原子核的团簇结构效应在重离子核反应中有了较多的研究。本文主要总结了在核反应与相对论重离子碰撞中对原子核的α团簇结构效应的研究。例如,通过原子核的巨共振来研究原子核的团簇结构。通过核反应中的粒子(包括中子、质子以及光子)的发射与关联、集体流等研究原子核的团簇结构。进一步,我们把原子核的团簇效应延伸推广到相对论重离子碰撞中,比如,对集体流及其涨落、HBT(Hanbury Brown and Twiss)关联、多重性关联、双强子方位角关联、电磁场等的研究。

α集团结构在相对论重离子碰撞中的效应

相对论重离子碰撞的主要物理目标是寻找夸克-胶子等离子体(QGP)物质状态,并研究其性质.在开展相对论重离子碰撞物理研究的数十年中,人们在实验和理论上提出了各类探针来探测QGP信号,并通过这些观测量研究QGP的性质,集体流是其中最重要的探针之一.相对论流体力学对集体流的描述表明,非对心碰撞区域形成的火球在向外膨胀过程中,动量空间逐渐呈现各向异性的分布,这一分布特性直接受到碰撞初态位置空间的影响.近些年,随着研究的深入,人们关注到了一些引人深思的问题,如对心碰撞中是否存在椭圆流的信号?原子核的初态形变对末态动量空间产生怎样的影响?特殊核结构是否在集体流等观测量中呈现可辨认的信号?针对这些问题,国际上已经开展了一些研究工作,而且部分的理论研究工作已催生了新的实验测量.据此,一方面有必要对这些研究历程进行梳理,供今后的研究参考.另一方面,有必要讨论通过相对论重离子碰撞研究核结构问题的可能性.本文以α集团结构为例,对上述研究进行一个回顾,并对高能核-核碰撞作为核结构研究的新途径进行探讨.

在同质异位素碰撞中通过双平面方法寻找手征磁效应

在相对论重离子碰撞中寻找手征磁效应(CME)有助于人们理解强相互作用中的CP对称性破缺和量子色动力学(QCD)真空的拓扑性质。基于CME的背景和信号相对于旁观者平面和参与者平面有不同的相关性,实验上提出了一种双平面方法提取CME信号。利用具有不同强度CME的多相输运模型,在质心碰撞能量为200 GeV的同质异位素碰撞中重新探讨双平面方法,发现相对于两个不同平面的CME信号和背景效应的比值系数是不同的,这与目前实验测量中的假设不一致。这种差异来自于相对于旁观者和参与者平面的CME的退关联,它源于末态的相互作用。本工作的研究表明,目前的实验测量可能高估了在相对论性重离子碰撞中观测到的末态CME信号的比例。