科学家在重离子碰撞实验中首次观测到超核集体运动

近期，中国科学院近代物理研究所等机构的科研人员参与RHIC-STAR国际合作实验研究，首次在重离子碰撞实验中观测到超核的集体运动。该成果为研究致密核物质环境中的超核-核子相互作用开启了一个新的方向，相关成果于5月24日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

超子是包含有奇异夸克（s）的重子，核子（质子和中子的统称）中只包含有上夸克（u）和下夸克（d）。超子和核子可以形成束缚态，人们称之为“超核”。理论预言宇宙中的致密天体——中子星的内部存在超子。然而，超子的出现将软化核物质状态方程，这给理论上构建大质量的中子星带来了挑战，被称为中子星研究中的 “超子谜题”。

实验上测量致密核介质中的超子-核子相互作用强度，是解决“超子谜题”的关键步骤，同时对于理解强相互作用的理论——量子色动力学具有重要意义。超核集体运动实验测量数据可用于提取致密核介质中的超子-核子相互作用，有可能解决“超子谜题”。

据研究人员介绍，高能重离子碰撞是在实验室产生和研究致密核物质性质的独特工具。重离子碰撞过程中，粒子由于致密核物质内部压强梯度会产生集体运动（集体流），如直接流、椭圆流等。在实验中，科学家们已经观测到介子、重子、轻核的集体流。由于实验上产生的超核非常稀有，此前超核集体流测量研究尚属空白。

研究人员基于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）装置上的STAR实验3GeV金-金碰撞数据，重建得到约8400个超氚（由一个Λ超子、一个质子和一个中子构成）和约5200个超氢-4（由一个Λ超子、一个质子和两个中子构成）。这是目前实验上观测到的最大统计量的超氚和超氢-4数据样本。

研究团队首次在实验上观测到了这些超核具有显著的直接流。同时，他们还提取了超核和轻核直接流在中心快度区域的斜率。经过比较发现，轻核与超核的直接流斜率都存在一个相似的质量标度律，这意味着超核和轻核在重离子碰撞中的产生都可以用“并和过程”来解释。

这项工作为研究有限压力下的超子-核子相互作用开辟了一个新方向，对于建立核核碰撞和决定致密星体内部结构的状态方程之间的联系具有重要意义。

中子星是大质量恒星生命尽头塌缩形成的致密天体。近代物理所供图。