我国学者与海外合作者在原子核结构研究中取得进展
2025/06/01
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图 低能测量和高能重离子碰撞研究原子核结构方法示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：11890710、12147101、12025501）等资助下，复旦大学马余刚教授团队联合纽约州立大学石溪分校等在高能重离子碰撞中的原子核结构研究方面取得重要突破，首次基于高能重离子碰撞方法成像原子核结构，这对研究极端物态-夸克胶子等离子体的性质至关重要，并为跨能量尺度研究原子核结构信息提供了新颖和独立的实验测量手段。该成果以“在高能核碰撞中成像原子核形状（Imaging Shapes of Atomic Nuclei in High-Energy Nuclear Collisions）”为题，于2024年11月7日在线发表于《自然》（Nature）期刊，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08097-2。
原子核的几何形状、核内蕴含的基本相互作用力与动力学对称性一直是原子核有限多体量子系统及强作用统计物理研究的重要前沿课题之一。目前原子核结构参数的研究主要在低能核物理领域开展，体现了较长的时间尺度上原子核的整体形状。在极端高能重离子碰撞实验中，原子核会发生洛伦兹收缩，相互作用持续时间为幺秒尺度（约10-24秒），远低于实验室系下原子核量子涨落的仄秒尺度(约10-21秒)，可实现逆向瞬时成像原子核形状，为研究夸克胶子等离子体性质和原子核的形状及核子的多体关联提供了新的机遇。
研究团队利用高能重离子碰撞实验研究了末态强子的集体流、平均横向动量涨落及其两者的皮尔逊相关系数等三种不同的软探针观测量（图），首次在跨能量尺度揭示了铀-238原子核基态具有较大的椭球形轴对称四极形变，并具有微小的轴对称破缺三轴形变自由度，与传统的低能实验测量和理论研究基本一致，为原子核结构成像提供了一种全新方法。该研究为约束和改进核理论模型及其计算精度提供了重要参考，有助于深化人们对夸克胶子等离子体初态几何、原子核基本性质和宇宙元素起源等基本科学问题的理解，可推动高能重离子碰撞、低能核物理和核天体物理交叉领域的发展。
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