華中師范大學STAR實驗組在QCD相變臨界點研究中取得重要進展!

?2021-03-10 14:37 ?135人閱讀 ? 雙一流大學網

  我校物理科學與技術學院羅曉峰、劉峰課題組與美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)、日本筑波大學、印度國家科學與教育研究所等單位合作,首次在RHIC-STAR重離子碰撞能量掃描實驗中觀測到凈質子數四階漲落的非單調能量依賴。美國布魯克海文國家實驗室第一時間報道了該重要實驗成果。

  

華中師范大學STAR實驗組在QCD相變臨界點研究中取得重要進展!


  這一現象與理論預言的量子色動力學(QCD)相變臨界點信號一致,對進一步確認QCD臨界點位置、探索QCD相結構具有重要意義。自2021年開始,我校STAR實驗團隊長期深入研究尋找QCD相變臨界點,是主要貢獻單位。該研究成果于3月6日正式發表在《物理評論快報》上。

  

華中師范大學STAR實驗組在QCD相變臨界點研究中取得重要進展!


  夸克膠子等離子體(QGP)是存在于早期宇宙極高溫條件下的強作用物質形態。高能重離子碰撞物理中一個重要研究課題是強作用物質在極端高溫高密條件下的相變與性質。QCD有效理論計算表明,在QCD相圖的高重子密區,強子物質到QGP的相變可能存在明顯的一級相變邊界,該邊界的終點被稱為QCD臨界點。QCD臨界點的實驗確認對深入理解可見物質結構以及研究宇宙演化具有重要意義。作為尋找臨界點和相邊界的敏感觀測量,守恒荷漲落(如凈重子數、凈電荷數和凈奇異數)對碰撞能量的非單調依賴被認為是臨界點存在的一個重要實驗信號。

  

華中師范大學STAR實驗組在QCD相變臨界點研究中取得重要進展!


  QCD相圖,縱坐標為溫度T,橫坐標為重子化學勢B。黑色實線為一級相變邊界。正方形框標示了可能的QCD臨界點位置。紅色點代表普通核物質的液氣相變臨界點。相圖的頂部標出了不同重離子碰撞實驗的相圖覆蓋范圍。

  我校STAR實驗組在近十年中致力于RHIC重離子碰撞能量掃描中對守恒荷漲落進行系統測量,碰撞能量覆蓋了從7.7 GeV至200 GeV,9個能量點。該研究成果主要貢獻作者中,課題組培養的楊貞貞博士、博士后ToshihiroNonaka(已出站,現為日本筑波大學助理教授)以及博士生何澍、張宇在物理分析方面做出了重要貢獻。另外,與該工作直接相關的物理分析細節的長文章,近期也被投稿到Phys. Rev. C(arXiv:2101.12413)。RHIC-STAR是基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機上STAR實驗的大型國際合作組,由來自13個國家67個單位的706位科研人員組成。

  

華中師范大學STAR實驗組在QCD相變臨界點研究中取得重要進展!


  左:STAR實驗測量的金金0-5%對心碰撞凈質子數和質子數四階漲落的能量依賴以及非臨界模型計算結果。右:重離子碰撞能量掃描的化學凍結線穿過臨界區域的示意圖,縱坐標是溫度,橫坐標為重子化學勢。當系統穿過臨界區域,守恒荷分布的峰度乘以方差隨著碰撞能量的改變,圍繞泊松分布基線顯示出的非單調振蕩行為。

  為了在探索高重子密度區核物質相結構、尋找QCD相變臨界點這一具有重大發現潛力的研究方向上占據領先地位、取得突破,世界各大科技強國紛紛建造大型加速器和粒子探測器、開展重離子碰撞實驗,其中包括德國FAIR的壓縮重子(Compressed Baryonic Matter, CBM)實驗(2025年建成)、俄羅斯杜布納(Dubuna)聯合核子研究所NICA Multi-Purpose Detector(MPD)重離子對撞實驗(2023年建成)、中科院近代物理所HIRFL-CSRExternal-target(CEE)外靶實驗(2025年建成)。我校積極加入了這些實驗并參與探測器研制和建造。

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