原子核深层结构研究取得重大突破，中国科学家重新定义原子核

AI科技 2025年10月10日 19:53 0 admin

信息来源：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/10/552851.shtm

物理学家长久以来试图理解的一个根本问题——在极端条件下，构成原子核的基本粒子如何相互作用——终于迎来了关键性突破。华南师范大学核物理与核技术全国重点实验室的研究团队，通过在欧洲大型强子对撞机上进行的精密实验，首次在实验中成功分离并观测到了"胶子饱和"现象的直接证据。这一发现不仅验证了量子色动力学的重要预言，更为理解宇宙早期演化和强相互作用的本质提供了前所未有的洞察。

这项由叶早晨教授和杨帅研究员领导、与美国莱斯大学合作完成的研究成果，近日发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》上，并获得"编辑推荐"的殊荣。该研究通过创新的实验方法，解决了困扰核物理学界多年的技术难题，为探索物质最深层次的奥秘开辟了新的道路。

从基本粒子到宇宙演化的桥梁

要理解这一突破的重要性，需要回到物质的最基本层面。在自然界中，夸克和胶子构成了质子、中子以及我们所见一切可见物质的基础。如果说夸克是建筑的砖块，那么胶子就是将这些砖块牢固结合在一起的强力胶水。这种被称为强相互作用的基本力，不仅决定了原子核的稳定性，也与宇宙大爆炸后最初几微秒内物质形成的关键过程密切相关。

量子色动力学作为描述强相互作用的理论框架，早已预言了一个令人着迷的现象：在极小的动量分数区域，胶子的密度会因为级联劈裂过程而急剧增长。然而，这种增长不可能无限持续下去。当动量分数变得足够小时，系统中致密的胶子会开始相互融合，最终达到一种动态平衡状态——这就是所谓的"胶子饱和"现象。

这种现象的存在对于理解强相互作用具有根本意义。它不仅关系到我们对原子核内部结构的认知，更与早期宇宙中夸克-胶子等离子体的性质直接相关。在宇宙诞生后的最初时刻，整个宇宙都充满了这种高密度、高温度的夸克-胶子等离子体，理解其性质对于宇宙学研究至关重要。

实验技术的重大创新

然而，要在实验中观测到胶子饱和现象面临着巨大的技术挑战。传统的实验方法很难准确区分不同来源的胶子贡献，这就像试图在嘈杂的音乐会现场分辨出每件乐器的声音一样困难。

研究团队采用了一种巧妙的策略来解决这一难题。他们利用高能超周边重离子碰撞中的光致矢量介子产生过程作为探测手段。在这种碰撞中，高速运动的重离子会产生强烈的电磁场，这些电磁场可以转化为虚光子，进而与原子核内的胶子发生相互作用，产生J/ψ粒子——一种由粲夸克和反粲夸克组成的矢量介子。

关键的创新在于研究团队区分了两种不同的相互作用过程。相干过程对应光子与整个原子核的集体作用，产生的J/ψ粒子具有极低的横动量，反映的是原子核尺度上胶子的平均分布。而非相干过程则对应光子与单个核子的相互作用，产生的J/ψ粒子具有较高的横动量，对核子尺度上胶子的空间分布和量子涨落极为敏感。

突破性的解耦方法

面对同种重核碰撞中光子与胶子来源难以区分的挑战，研究团队开发了一种创新的解耦方法。他们通过分析非相干J/ψ与前向中子的快度关联，并结合库仑激发导致的前向中子多重数分布，首次成功在非相干J/ψ产生过程中分离出不同能量光子-胶子相互作用的贡献。

这种方法的巧妙之处在于利用了前向中子作为"标记粒子"。当原子核在碰撞过程中受到库仑激发时，会产生特定模式的中子发射。通过精确测量这些中子的分布特征，研究人员可以反推出相互作用的具体类型和强度，从而实现对不同过程的有效分离。

实验结果显示了令人兴奋的发现：非相干与相干过程中的J/ψ产生截面都呈现出明显的饱和趋势，这正是胶子饱和现象的直接体现。更引人注目的是，非相干过程的核压抑效应明显更强，且在极小动量分数区域（x<10^-4）时趋于稳定，这与理论预期高度吻合。

理论验证与新的挑战

研究发现，非相干与相干截面的比值几乎不随碰撞能量变化，这一结果与考虑量子涨落的色玻璃凝聚模型的预言完全相符。色玻璃凝聚态是理论物理学家提出的一种描述高密度胶子系统的理论框架，被认为是胶子饱和现象的具体表现形式。

然而，当研究人员将实验结果与理论模型进行详细比较时，也发现了一些意外的差异。虽然整体趋势与理论预期一致，但在具体的数值对比上，非相干和相干过程的核压抑效应都与现有理论存在显著偏差。这一发现不仅验证了胶子饱和现象的存在，同时也为相关理论的进一步发展提出了新的挑战和方向。

科学意义与未来展望

这项研究的科学意义是多方面的。首先，它为量子色动力学的一个重要预言提供了直接的实验验证，这对于我们理解强相互作用的基本性质具有根本意义。其次，通过揭示小动量分数区域的非线性演化机制，该研究为理解原子核内部的复杂结构提供了新的视角。

更重要的是，这一发现对于未来的科学探索具有重要的指导意义。即将建设的电子离子对撞机等新一代大科学装置，将能够进行更精密的胶子结构测量。本研究建立的实验方法和理论框架，将为这些未来实验提供重要的技术基础和理论指导。

从更广阔的视角来看，这项研究也体现了现代物理学研究的国际合作特色。华南师范大学团队与美国莱斯大学的合作，以及对欧洲大型强子对撞机国际平台的充分利用，展现了中国科学家在国际前沿研究中的重要作用和贡献。

该研究还与团队此前的工作形成了完整的科学图景。2023年底，同一团队在《物理评论快报》上发表的相干测量工作，与本次非相干过程研究相互呼应，共同构建了对胶子饱和现象的全面理解。这种系统性的研究方法，为解决复杂物理问题提供了重要的方法论启示。

展望未来，随着实验技术的不断进步和理论模型的日趋完善，科学家们有望对强相互作用的本质获得更深入的理解。这不仅将推动基础物理学的发展，也可能为新技术的开发开辟意想不到的道路。毕竟，历史告诉我们，对自然界最基本规律的理解，往往会带来革命性的技术进步。

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