2024年11月20日，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)發(fā)布了一項(xiàng)重大研究成果，為研究原子核結(jié)構(gòu)提供了一種全新的高能方法。該研究由STAR合作組織完成，該組織由來(lái)自12個(gè)國(guó)家55個(gè)機(jī)構(gòu)的數(shù)百名科學(xué)家和工程師組成。

科學(xué)家們利用相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)的螺線管追蹤器，成功追蹤了粒子加速器中離子碰撞產(chǎn)生的粒子。研究成果已于本月初在《自然》雜志上發(fā)表。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們不僅量化了原子核的整體形狀，如拉長(zhǎng)或壓扁，還量化了其三個(gè)主軸之間的相對(duì)差異，即三軸性。這些發(fā)現(xiàn)揭示了原子核形狀的復(fù)雜性，超出了傳統(tǒng)低能實(shí)驗(yàn)所能探測(cè)的范圍。

傳統(tǒng)低能實(shí)驗(yàn)方法，如觀察激發(fā)原子核衰變過程中發(fā)射的光子的非侵入性光譜技術(shù)，存在局限性，無(wú)法提供原子核中質(zhì)子空間排列細(xì)微變化的信息，也無(wú)法直接觀察中子。相比之下，STAR合作組織使用的高能方法通過碰撞特定快照，捕獲了原子核內(nèi)空間物質(zhì)分布的詳細(xì)信息。

研究人員通過以超相對(duì)論速度碰撞外來(lái)碎片，并分析其集體響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)核整體形狀的成像。該技術(shù)利用流體動(dòng)力學(xué)膨脹，在探測(cè)器中觀察到的粒子動(dòng)量分布上留下圖案，從而制作出一系列“快照”。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)于鈾核的驚人新信息。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，鈾核的三個(gè)軸都存在差異，而非僅一個(gè)主軸扭曲，這表明鈾核的形狀比以前想象的更復(fù)雜。

這項(xiàng)研究不僅建立了一種新的原子核成像方法，還與一系列物理問題相關(guān)，包括核裂變、中子星碰撞中重原子元素的形成，以及奇異粒子衰變的發(fā)現(xiàn)。此外，對(duì)原子核形狀的深入了解還有助于科學(xué)家加深對(duì)早期宇宙模擬中粒子湯初始條件的理解。

該研究的發(fā)表已經(jīng)對(duì)核物理學(xué)界產(chǎn)生了廣泛影響，促進(jìn)了低能核結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)社區(qū)與高能前沿之間的聯(lián)系，推動(dòng)了核物理學(xué)的跨學(xué)科發(fā)展。