科大高能核物理团队在奇异粲介子研究中取得重要进展

2021年08月31日

中国科大高能核物理团队在奇异粲介子研究中取得重要进展

中国科学技术大学高能核物理课题组与美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、华中师范大学（CCNU）、加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位合作，在RHIC-STAR质心能量为200 GeV的重离子碰撞实验中观察到，奇异粲介子Ds与中性粲介子D0的产额比值相对于质子质子碰撞有显著的增强。研究结果表明：宇宙大爆炸早期形成的极端高温高密的热核物质——夸克胶子等离子体中，的确存在夸克与胶子的自由度，粲夸克与奇异夸克级联是奇异粲介子Ds强子化的重要方式。结合之前发表的D介子集体流结果(Phys. Rev. Lett. 118. 212301 (2017))，为我们理解粲夸克的集体运动性质和强子化过程提供了重要的实验依据。研究成果于8月26日发表在《物理评论快报》Phys. Rev. Lett. 127, 092301 (2021)上。

宇宙大爆炸及其演化一直是人类探索自然的最基本科学问题之一。理论预言在宇宙大爆炸初期数微秒内会在有限的空间中积聚极大的能量，温度可达数万亿度。在这样的极端高温高密条件下，被强相互作用禁闭在强子中的夸克与胶子将会获得更大的自由度，从而使强子物质转变为夸克胶子等离子体。高能重离子对撞机，将重离子加速到极高能量撞在一起，从而可以在实验室中模拟宇宙大爆炸的情形。由于粲夸克很重，只能通过初始的硬散射过程产生，而在热核介质中，极高的温度可以额外产生正反奇异夸克对，这就表现为奇异夸克的“丰度”增加。Ds由一个粲夸克与一个反奇异夸克组成，D0由粲夸克与反上夸克组成，两者产额之比相较质子质子碰撞有显著增强，验证了这一物理图像，同时也验证了粲介子通过夸克溶合而成的强子化机制，是重离子碰撞中产生的热密核物质具有部分子自由度的重要实验证据。

中科大高能核物理课题组主导研制了基于MRPC的飞行时间探测器，极大拓展了STAR实验上带电粒子的鉴别能力；同时作为主要参加单位参与了基于MAPS 高分辨硅像素技术的重味径迹探测器研制，精确测量了重味强子衰变顶点，在该实验研究中发挥了关键作用。中国科大张一飞教授、周龙博士、陈小龙博士为论文的主要作者，在探测器刻度、物理分析方面做出了重要贡献。

                      上：Ds信号及Ds与D0的夸克组成示意图   下：观测到Ds/D0产额的显著增强

RHIC-STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上STAR实验的大型国际合作组，由来自14个国家70个单位的753位科研人员组成。该项研究受到了国家自然科学基金委、科技部等单位的经费资助。

相关链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.092301

（中国科学技术大学物理学院、核探测与核电子学国家重点实验室、科研部）

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