仰望浩瀚星空時，你好奇過某一顆星球樣貌嗎？你想知道一顆星球的質(zhì)量嗎？如果一顆星球的極小內(nèi)核卻占了絕大部分質(zhì)量，你想知道其內(nèi)核物質(zhì)的構(gòu)成嗎？這些看似渺遠的奧秘，他們的答案，卻可以在地面核物理實驗室通過原子核碰撞來找到。清華大學(xué)物理系教師肖志剛和他所帶領(lǐng)的實驗核物理小組給原子核碰撞拍攝了一部精確到萬億億分之一秒的“電影”，帶你領(lǐng)略從核子之微到宇宙之巨的精彩故事。現(xiàn)在，各位“觀影嘉賓”請收好本篇“觀影指南”，一同走進重離子物理的世界。
“電影背景”
中子星，一種質(zhì)量超過太陽，而其占絕大部分質(zhì)量的內(nèi)核直徑卻只和海淀區(qū)相當?shù)男求w。原子核，一種占了原子幾乎所有質(zhì)量，卻基本上沒有體積的物質(zhì)。這兩種看起來差異巨大的物質(zhì)，背后卻蘊含了共同的物理規(guī)律，吸引了許多物理學(xué)家的目光。
眾所周知，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。自然界中穩(wěn)定存在的原子核，它們的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)是大致平衡的。而當原子核內(nèi)中子和質(zhì)子數(shù)目偏離平衡時，體系就逐漸變得不穩(wěn)定，描述這一現(xiàn)象的物理量，就是對稱能。正是對稱能這個物理量，它像一座橋梁，聯(lián)系著原子核和中子星這兩個尺寸上相差18個數(shù)量級的物理系統(tǒng)，成為國際上核物理學(xué)家們關(guān)注的一個焦點。
中子星離我們?nèi)绱诉b遠，目前人類也無法前往中子星表面獲取物質(zhì)進行研究。因此當物理學(xué)家想在地球?qū)嶒炇已芯吭雍撕椭凶有堑男再|(zhì)時，唯一的方法就是加速兩個原子核并讓它們發(fā)生碰撞，來模擬類似于中子星條件的核物質(zhì)。在原子核發(fā)生碰撞的瞬間，原子核受到壓縮、隨后解體，通過對這個過程進行精確測量，可以幫助人們深入理解強相互作用的基本性質(zhì)、理解中子星等致密星體的結(jié)構(gòu)與演化屬性等。
“拍攝目的”
聯(lián)系fm尺度原子核和km尺度中子星的原子核對稱能
肖志剛團隊經(jīng)過多年的研究認識到，在重離子碰撞過程中，不同中子豐度的粒子其出射快慢受到對稱能影響。如果將重離子碰撞比喻成兩輛車不幸發(fā)生碰撞，在碰撞過程中會產(chǎn)生很多碎片，如果能對碎片飛出的方向和速度進行觀測，則可以調(diào)查這起“事故”的主要責(zé)任方、事故原因及碰撞程度。同理，如果可以測量重離子碰撞中不同粒子的出射時標和出射次序，就可以為對稱能性質(zhì)的研究提供很好的機會，這便是給原子核碰撞拍一部萬億億分之一秒“電影”的初衷。
“拍攝團隊”
2018年肖志剛團隊實驗現(xiàn)場的照片
于是，肖志剛和他的團隊便擔(dān)任起了這部“電影”的“導(dǎo)演”和“制作團隊”。要拍攝這樣一部“電影”的周期非常長，在十年前，肖志剛就萌生了給核反應(yīng)“拍電影”的想法，最終帶著一屆又一屆學(xué)生組成的“制作團隊”，完成了這部作品。
拍攝團隊中還有一個至關(guān)重要的角色，就是“編劇”——理論物理學(xué)家。“導(dǎo)演”和“編劇”是相輔相成的，沒有理論物理學(xué)家的推導(dǎo)，肖志剛團隊所進行的實驗無法得到指導(dǎo)。關(guān)于原子核碰撞這部影片的編劇，是來自南京大學(xué)、中國原子能研究院和廣西師范大學(xué)等高校和研究機構(gòu)的理論核物理學(xué)家們。
“拍攝設(shè)備”
CSHINE探測系統(tǒng)示意圖
明確“電影”拍攝動機之后，“導(dǎo)演團隊”需要一臺能夠精確到萬億億分之一秒拍攝的超級“攝像機”。經(jīng)過多年的努力，團隊完成了硅條-硅條-CsI（Tl）晶體組成的三疊層粒子望遠鏡和平行板雪崩室探測器的制作、組裝和測試工作，成功打造了一臺這樣的“攝像機”——CSHINE探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了氣體、半導(dǎo)體和晶體等不同種類的探測器，涉及真空、氣路、光電轉(zhuǎn)換、信號放大、濾波成形、時間甄別、邏輯“快門”觸發(fā)、數(shù)據(jù)獲取等諸多實驗技術(shù)。經(jīng)過不斷的建設(shè)與升級，這臺“攝像機”在過去的六年中，完成了四輪束流實驗，2018年和2019年的前兩輪實驗表明探測系統(tǒng)性能優(yōu)良。在2022年第三輪實驗中，團隊升級了“攝影機”，添置了一套碘化銫晶體陣列，目的是探測碰撞初期釋放的高能伽馬射線。想象一下，還是兩輛車相撞，如果“事故”現(xiàn)場增加一個收音設(shè)備，可以記錄下事故發(fā)生瞬間的聲音，就可以有更多的信息來調(diào)查碰撞發(fā)生的具體過程。同理，探測重離子碰撞產(chǎn)生的高能光子，獲得的信息也更加全面。
“拍攝腳本”
天文HBT關(guān)聯(lián)測量與核物理粒子關(guān)聯(lián)測量
“電影”需要精確到仄秒（十萬億億分之一秒，即秒）量級，除了擁有CSHINE探測系統(tǒng)這臺超級“攝像機”之外，還需要用到非常精確的“拍攝腳本”——HBT強度干涉測量技術(shù)（HBT是Hanbury Brown和Twiss兩位科學(xué)家的姓氏縮寫），在核物理中也稱為小角關(guān)聯(lián)函數(shù)方法。最初HBT通過兩個相互靠近的望遠鏡，記錄天狼星光信號強度的符合信息，得到天狼星的角直徑。后來人們將此方法拓展到核物理中，通過測量小相對角度內(nèi)兩個符合粒子的動量關(guān)聯(lián)信息，得到核反應(yīng)過程中碰撞區(qū)域的時間和空間的演化特性。
“影片三部曲”
NST雜志封面文章介紹用于HBT粒子關(guān)聯(lián)函數(shù)測量的CSHINE探測系統(tǒng)
第一幕《“四擊頭”亮相，“演員”眾登場》：第一幕是關(guān)于在重離子碰撞這一極快反應(yīng)過程中，記錄氫的三種同位素粒子“演員”的出場順序和出場時間的故事。該片段的拍攝過程中，“導(dǎo)演團隊”精細測量了中能重離子碰撞中小相對角度的兩粒子符合事件，經(jīng)過粒子鑒別后，找到兩質(zhì)子符合事件，重建質(zhì)子關(guān)聯(lián)函數(shù)實驗結(jié)果。然后，根據(jù)質(zhì)子間的相互作用、發(fā)射源尺寸和粒子發(fā)射時標，計算對應(yīng)不同發(fā)射時標的關(guān)聯(lián)函數(shù)理論曲線。最后，通過將實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行對比，得到質(zhì)子的動力學(xué)發(fā)射時標，大約在3仄秒。在這么短的時間尺度下，為了比較不同種類粒子發(fā)射的先后順序，他們還得使用更加精微的技術(shù)，即速度區(qū)分的粒子關(guān)聯(lián)函數(shù)技術(shù)。想象一下，假設(shè)氘核比質(zhì)子先發(fā)射出來，那么當質(zhì)子的速度較大時，質(zhì)子就會追上氘核，產(chǎn)生較強的關(guān)聯(lián)效果；而當質(zhì)子速度較小時，它們就會越來越遠，最終的關(guān)聯(lián)效果就弱。通過這種技術(shù)，實驗組得到了氕、氘和氚的出射次序，確定了豐中子的氚核出射更早，其次是氘核和質(zhì)子。粒子“出場順序”的測量類似于給原子核拍攝了萬億億分之一秒的“電影”，相關(guān)物理結(jié)果于2022年在PhysicsLetterB上發(fā)表[Physics Letters B 825，136856(2022)]，這為使用CSHINE開展費米能區(qū)重離子碰撞實驗研究打下良好的基礎(chǔ)。
關(guān)聯(lián)函數(shù)提取發(fā)射時標
第二幕《偏在微納做“道場”》：該片段主要講述在重離子電光火石般的碰撞過程中，豐中子粒子和缺中子粒子以“乒乓”模式交替出射的故事。在“看到”粒子的“出場順序”后，團隊進一步提出，一次核反應(yīng)中先后出射的兩個“演員”粒子間的中子豐度是否存在顯著聯(lián)系。通過分析每次碰撞中與中等質(zhì)量碎片符合出射的氚和氦-3的能譜和產(chǎn)額比，他們發(fā)現(xiàn)，雖然氚和氦-3的能譜呈現(xiàn)出標度現(xiàn)象，但它們的產(chǎn)額比與關(guān)聯(lián)中等質(zhì)量碎片的中質(zhì)比呈現(xiàn)顯著的反關(guān)聯(lián)。也就是說，如果先出射的碎片相對豐中子，則伴隨出射的輕粒子相對缺中子，反之亦然，呈現(xiàn)一種有趣的“乒乓”模式。這一幕記錄了核反應(yīng)中“演員”(粒子)的出射模式，為研究核碰撞動力學(xué)與核子結(jié)團出射性質(zhì)提供了新思路，相關(guān)結(jié)果于2023年在PhysicalReview C上發(fā)表[PhysicalReview C, 107, L041601 (2023)]。
與重碎片符合的輕粒子產(chǎn)額示意圖
第三幕《捕捉原子核碰撞最初的那束光》：該片段主要講述通過測量重離子碰撞中的高能光子譜來認識原子核內(nèi)高動量成分和短程核子-核子關(guān)聯(lián)的故事。首先讓我們想象一下原子核內(nèi)部的情形，研究表明，原子核內(nèi)的核子并不“安靜”，像一屋子嘈雜的人群那樣。但核子間存在一定的幾率形成配對狀態(tài)（短程關(guān)聯(lián)），類似形成了一對“舞伴”。理論上認為，這種關(guān)聯(lián)會導(dǎo)致核子動量分布出現(xiàn)一個顯著的高動量成分。為了從實驗上驗證這個圖像，肖老師團隊在CSHINE中加入高能光子探測陣列，去捕捉碰撞早期的那束光。通過測量高能韌致輻射光子能譜，并與理論計算結(jié)果對比，他們在90%的置信度水平上，揭示了原子核內(nèi)核子高動量成分的存在。這個工作從一個全新的視角展現(xiàn)了原子核內(nèi)核子-核子短程關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，相關(guān)結(jié)果最近在PhysicsLetterB上發(fā)表[Physics Letters B 850, 138514 (2024)]。
高能光子“拍攝設(shè)備”和光子能譜
“彩蛋”
這臺超級“攝像機”——緊湊型重離子碰撞譜儀CSHINE（Compact Spectrometer for Heavy IoN Experiment），其開頭的“C”也寓意“China”。“我希望我們中國（China）能在重離子物理領(lǐng)域閃耀（shine）整個世界，這就是CSHINE！”肖志剛滿懷憧憬地說。
學(xué)道須當猛烈，始終確守初心。保持對自然的好奇和敬畏，這是物理學(xué)家們進行一切探索和研究的初心。在剛剛結(jié)束的第四輪束流實驗中，他們又增加了中子探測器陣列，以期捕獲到最難測量到的中子。期待肖老師團隊及團隊未來能帶來更多精彩“作品”。
（清華新聞網(wǎng)3月21日電）
記者：吳子璇
