STAR 研究的共同作者、石溪大学 (Stony Brook University) 的江永嘉 (Jiangyong Jia) (前) 和黄胜利 (Shengli Huang) 在 BNL RHIC 的 STAR 实验控制室中。 (照片：Kevin Coughlin/BNL)
布鲁克海文国家实验室最近发表的研究提供了一种研究原子核结构的新型高能方法。科学家们一直在使用相对论重离子对撞机(RHIC，又称 STAR)的螺线管追踪器来追踪粒子加速器中离子碰撞产生的粒子。他们的研究成果于本月初发表在《自然》杂志上。
STAR 合作组织：这项研究由 STAR 合作组织开展，这是一个由数百名科学家和工程师组成的国际组织，他们来自 12 个国家的 55 个机构。在实验中，研究人员“不仅量化了原子核的整体形状——无论是像足球一样拉长还是像橘子一样被压扁——而且还量化了微妙的三轴性，即其三个主轴之间的相对差异，这些差异代表了‘足球’和‘橘子’之间的形状，”合著者、纽约州立大学石溪分校物理学和天文学兼职教授江永嘉说。
低能极限：这项研究中使用的高能方法与物理学家长期以来用来研究原子核形状和结构的低能实验形成了鲜明对比，例如观察激发原子核衰变过程中发射的光子的非侵入性光谱技术。这些方法有局限性，因为它们无法提供有关原子核中质子空间排列细微变化的信息——这些变化发生得太快而无法检测到。低能方法也无法直接观察原子核中的中子。
STAR 的研究人员总结了这个问题：“在这些[低]能量下，它们[原子核]的瞬时形状被长期尺度的量子涨落所掩盖，使得直接观察变得具有挑战性。”
两颗铀核碰撞产生的带电粒子轨迹艺术图与 RHIC 的 STAR 探测器草图重叠。(图片：张春建/复旦大学和贾江永/石溪大学)
碰撞特定快照：在 STAR 探测器使用的核成像技术中，研究人员写道：“我们引入了集体流辅助核形状成像方法，该方法通过以超相对论速度碰撞并分析外来碎片的集体响应来对核的整体形状进行成像。该技术捕获了原子核内空间物质分布的碰撞特定快照，通过流体动力学膨胀，在探测器中观察到的粒子动量分布上留下图案。”
通过利用高能技术从许多不同的碰撞中制作一系列“快照”，研究人员能够收集更多信息并观察到比传统低能技术更加复杂的结构。
检查方法：为了检查他们研究原子核结构的新方法是否与传统方法大体一致，研究人员将他们的发现与之前已知的发现进行了比较：“我们在基态铀-238 原子核的碰撞中对这种方法进行了基准测试，铀-238 原子核以其细长的轴对称形状而闻名。我们的研究结果表明，原子核基态发生了较大的变形，略微偏离了轴对称性，与之前的低能实验大致一致。”
有关铀的惊人发现：这项研究的主要目的是建立一种新的原子核成像方法。然而，在研究过程中，研究人员还发现了一些有关铀核的惊人新信息。据此，“科学家们发现，铀核的三个轴都存在差异，而不是只观察到一个主轴的扭曲，从而导致铀核‘长’伸长。”这表明铀核比以前想象的更复杂。
研究意义： BNL 表示，STAR Collective 为破译原子核形状所做的工作“与一系列物理问题相关，包括哪些原子最有可能在核裂变中分裂，重原子元素在中子星碰撞中如何形成，以及哪些原子核可以为发现奇异粒子衰变指明方向。利用对原子核形状的深入了解，科学家还可以加深对粒子汤初始条件的理解，这种粒子汤模拟了早期宇宙，是在 RHIC 的高能粒子碰撞中产生的。该方法可用于分析来自 RHIC 的其他数据以及从欧洲大型强子对撞机的核碰撞中收集的数据。”
贾教授指出，这项研究已经对核物理学界产生了影响。“这项研究涉及许多跨学科方面。核物理学有许多分支。通常，每个社区都使用自己的工具——理论和实验。但由于这些结果，世界各地的低能核结构和核反应社区都注意到了这一点。组织了几次研讨会、会议和研讨会，探讨核物理学中高能和低能前沿之间的联系，这让我们更好地了解彼此。”
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