美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机(RHIC)的STAR合作组近日在《物理评论快报》发表论文，介绍了一种利用近距离离子碰撞研究原子核内部结构的新方法。与通常关注原子核正面相撞不同，这项研究抓住了两个高速原子核擦肩而过时产生的光子信号，用它们探测原子核内胶子的分布。
胶子是把夸克束缚在质子和中子中的关键粒子，也与质子、中子的基本性质密切相关。研究人员将围绕高速带电离子的电磁场视作光子来源。当两个离子非常接近但没有真正碰撞时，一个原子核周围的光子可以与另一个原子核内部的胶子相互作用，生成新的粒子。通过分析这些粒子及其衰变产物的运动方向和动量，科学家便能反推出胶子在原子核中的位置和分布。
此前，STAR团队曾利用ρ介子研究类似过程，但ρ介子寿命很短，且质量较轻，成像分辨率有限。这次研究转向更重、结构更紧凑的J/ψ粒子。J/ψ粒子在衰变前存在时间更长，其衰变产生的电子和正电子还带有自旋特性，使研究人员能够更清楚地区分干涉信号的来源。
自旋揭示了一种更清晰的原子核成像方法：在RHIC的近距离金离子碰撞实验中，来自一个原子核的光子可以短暂地转化为探测另一个原子核内部胶子的粒子。这张图像对比了两种这样的探测方式。左侧，短寿命的ρ⁰粒子衰变为π介子对(π⁻/π⁺)，产生一个干涉图样(绿色波)。右侧，紧凑的Jψ粒子衰变为具有自旋的电子-正电子对(e⁻/e⁺)。这种自旋翻转了观测到的干涉图样(蓝色波)的符号，表明自旋塑造了干涉信号。自旋的引入以及更小的Jψ粒子带来的更高分辨率，为绘制原子核内胶子图谱的过程增添了维度和细节。(Joanna Pendzick/布鲁克海文国家实验室)
实验结果显示，J/ψ衰变产生的电子和正电子形成的干涉图样，与ρ介子相关研究中观察到的图样方向相反：原本的高点变成低点，低点变成高点。STAR团队在金、锆和钌三种离子的近距离碰撞数据中都看到了这种“翻转”模式，而且干涉信号随原子核尺寸减小而增强，与理论预测相符。研究人员认为，这说明干涉主要来自衰变后的子粒子，而不是母粒子本身。
这项结果不仅验证了量子干涉效应，也为绘制原子核内胶子图谱提供了更可靠的路径。通过子粒子的角度和动量信息，科学家可以推断母粒子自旋、光子自旋排列以及胶子参与相互作用的位置，相当于在亚原子尺度上为胶子“定位”。
这一路线也与正在布鲁克海文国家实验室建设的电子-离子对撞机(EIC)密切相关。EIC未来将利用电子发出的虚光子探测质子和原子核内部，J/ψ衰变将是重要测量手段之一。物理学家希望借此进一步探索胶子是否会达到“饱和”状态，并寻找被称为“彩色玻璃凝聚态”的新型物质状态证据。
RHIC已经结束运行，相关加速器基础设施正逐步改造为EIC。不过，STAR合作组表示，RHIC积累的数据仍将在未来多年继续分析，并为EIC的理论和实验方法提供参考。
