相关研究成果于北京时间11月7日以“Imaging Shapes of Atomic Nuclei in High-Energy Nuclear Collisions”(在高能核碰撞中对原子核的形状进行成像)为题发表于《Nature》(自然)主刊。Nature同期在“新闻和观点”(News & Views)、“博客”(Podcast)特评专栏等对该文进行亮点介绍和重点推介。
该成果基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机上的螺旋径迹探测器(RHIC-STAR)。研究人员将两束重离子加速至接近光速并使其发生对撞，从而产生退禁闭的夸克胶子等离子体(QGP)。普遍认为，该物质是对应于宇宙大爆炸之后几个微秒的存在形态，而夸克、胶子是物质的最微观层次，都是基本粒子。QGP流体经过膨胀冷凝和强子化后，产生大量末态强子。末态强子的动量空间多粒子关联与碰撞初始原子核的形状及核子的多体关联整体相关。这一过程类似高速摄像机的快门拍照，能够实现逆向瞬时成像原子核形状。
在《自然》论文中，马余刚院士团队与合作者在STAR实验组以接近球形的金核-金核碰撞为基准，精准成像原子核结构特征，定量提取了铀核-铀核碰撞中铀-238原子核的四极轴对称形变和三轴形变结构信息。
自1911年卢瑟福根据α粒子对原子散射实验建立原子核式结构以来，原子核的几何学形状、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。
该实验同时研究了末态强子的集体流等三种不同的软探针观测量，并通过大规模超算中心的计算，比较了两种不同的流体动力学模型，精确约束并定量提取了铀-238原子核的四极轴对称形变和轴对称破缺三轴形变的大小。
此外，该研究证实铀-238具有微小的轴对称破缺三轴形变自由度。
将来，该论文中使用的研究方法可应用于欧洲核子中心LHC、下一代核物理大科学装置-美国电子离子对撞机EIC、我国强流重离子加速器装置HIAF等大科学装置的相关研究，有助于继续拓宽跨能量尺度原子核物理的前沿交叉。
复旦大学张春健青年研究员和纽约州立大学石溪分校贾江涌教授等研究人员主导了此《自然》实验研究。目前，后续的实验研究仍在持续进行，团队正在创新发展新的实验观测量，结合低能核物理理论模型，高能相对论流体动力学和输运模型，继续在实验和理论层面深入研究原子核高阶形变、中子皮、集团结构等原子核结构特征。
该工作得到了国家自然科学基金委及其理论物理专款-上海核物理理论研究中心、科技部、教育部和复旦大学等支持。
