我院高能核物理团队发现强相互作用相图潜在临界效应 [2025-10-02]

我院高能核物理团队联合华中师范大学、广西师范大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、日本筑波大学及印度国家科学教育与研究所等单位，在相对论重离子对撞机上（RHIC）的STAR实验中，成功实现了金核-金核碰撞中净质子数涨落的高精度测量。

近日，相关研究成果以“Precision Measurement of Net-Proton-Number Fluctuations in Au + Au Collisions at RHIC”为题，在线发表于《物理评论快报》（Physics Review Letters）期刊上，成为实验探索强相互作用临界点进程中的关键突破。该论文被选为“编辑推荐”（Editors' Suggestion）。

在极高温度或密度条件下，强子中的夸克与胶子会解禁闭，形成夸克-胶子等离子体（QGP）——这种新的物质形态曾存在于宇宙大爆炸后的约百万分之一秒。RHIC通过相对论重离子碰撞，在“击碎”强子的过程中产生数万亿摄氏度的高温环境，提供了QGP形成的条件。与水的固、液、气三相类似，强子和QGP是强相互作用物质的两个相，它们之间的转化被称为QCD相变，相和相变在不同温度和密度的分布由QCD相图描述。探索QCD相结构是高能核物理研究的核心目标之一。理论预言，在高温低密区的强子和QGP之间为平滑过渡，而在高密和相对低温区域存在一级相变，两者之间应存在一个临界点，作为一级相边界的终点。由于目前对这三者均缺乏直接实验证据，因此寻找QCD临界点对于确认相图结构、理解强相互作用本质以及探索宇宙早期演化具有重要意义。

QCD物质相图

为系统扫描QCD相图，RHIC于2010-2021年实施了两期束流能量扫描项目（BES），其中一期（BES-I）覆盖碰撞能量7.7-200GeV，二期（BES-II）聚焦于7.7-27GeV并大幅提升统计，STAR探测器相应也完成了重要升级。理论指出，逐事件净质子数的高阶涨落是QCD相结构的敏感观测量。这项研究基于STAR采集自BES-II的实验数据，测量了净质子数的至高四阶累积矩。结果显示，四阶与二阶之比在19.6GeV的对心碰撞中相比无临界的基线出现了最大偏离，显著性为2-5倍标准差，而在更高和更低能量则逐渐回归基线。这一现象显示了潜在的临界效应，即可能存在临界点的信号。

偏离非临界基线置信度

我校高能核物理团队张一飞教授和博士生司凡是该论文主要作者，作为骨干参与物理分析工作，发展的相关数据筛选与处理、粒子鉴别、效率修正和误差估计与控制等技术在其中发挥了重要作用。司凡同学的博士学位论文即是基于这项研究。团队主导研制的飞行时间探测器（TOF）为准确鉴别质子和反质子的提供了关键支撑，团队也参与了STAR实验升级中事件平面探测器（EPD）的研制。

STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的RHIC上的大型国际合作组，由来自14个国家、76个单位的755位科研人员组成。本研究受到了国家自然科学基金委、科技部等单位的资助。

相关链接：https://doi.org/10.1103/9l69-2d7p

（物理学院、科研部）