測定原子核的形狀
宇宙中超過99.9%的可見物質，都存在於原子的中心，也就是由質子和中子構成的原子核。幾十年來，物理學家都在探索一個有趣且深刻的問題，那就是原子核究竟是什麼形狀的？
破譯原子核的形狀之所以重要，是因為它與一系列重要的物理學問題相關。例如，哪些原子最有可能在核裂變中分裂，重原子元素在中子星碰撞中是如何形成的，哪些原子核或許能夠為發現奇異粒子衰變指明道路等等。
過去，物理學家是透過涉及能使低能離子偏離原子核的實驗，來推斷原子核的形狀。但是，這種低能實驗方法的時間尺度相對較長，給出的成像就像是長時間曝光的照片。它無法捕捉到原子核內的質子在非常快的時間尺度下的所有細微變化。而且由於這些方法大多使用電磁相互作用，因此它們無法直接“看到”原子核中不帶電的中子，只能得到整個系統的平均值。
在一項於近期發表在《自然》雜誌上的研究中，相對論性重離子對撞機（RHIC）的一個物理學家團隊展示了一種使用高能粒子碰撞來研究原子核形狀的新方法。他們以極高的能量碰撞了兩束鈾-238，然後又碰撞了兩束金。透過這種高能實驗方法，他們不僅量化了原子核的整體形狀，還量化了微妙的三軸性。
從碎片中重建形狀
從RHIC多年的實驗中，物理學家們已經知道，高能的核碰撞會融化原子核中的質子和中子，從而釋放出更基本的組成部分——夸克和膠子。這些被稱為夸克-膠子等離子體（QGP）的熔融核物質團塊的形狀和膨脹，是由碰撞的核的形狀決定的。每個QGP團塊的形狀和大小直接影響其產生的壓力梯度，而壓力梯度又會反過來影響QGP在冷卻時發射的粒子的集體流動和動量。
研究人員認為，他們可以對這種關係進行“逆向工程”，進而獲得有關核結構的資訊：因此，他們使用了RHIC的一個名為STAR的探測器，分析了由碰撞產生的粒子的流動和動量，並將結果與不同的QGP形狀的流體動力學膨脹模型進行比較，從而推斷出最初的原子核的形狀。
橢圓鈾核的對頭碰撞可以在體-體和端-端之間的方位產生具有不同形狀和大小的夸克-膠子等離子體（QGP）。這些QGP特徵驅動不同的膨脹模式，導致發射粒子的不同分佈。透過測量這些“流動”模式在碰撞之間的變化，並將其與近球形金核的碰撞進行比較，科學家就可以推測出鈾核的形狀。（圖/Jiangyong Jia / Stony Brook University）
為了證明這是一種切實有效的方法，他們比較了金核的中心碰撞和鈾核的中心碰撞。
過去的低能實驗表明，金核的中心碰撞更接近球形，從一張影象到下一張影象都是一致的。新研究所採用的高能方法也證實了金核的球形。由於金核幾乎是球形的，所以發射粒子的流動模式在每次碰撞之間不會有太大的變化。在新研究中，研究人員觀測到金核的中心碰撞產生了圓形的、固定大小的QGP，它向各個方向均勻地膨脹。
相比之下，當鈾核以不同的方向碰撞時，它們在快照中發生了變化，產生各種形狀和大小的QGP。透過比較鈾-鈾和金-金碰撞之間的測量結果，並將這些結果與成功描述了QGP的其他特徵的流體動力學模型相匹配，研究人員對鈾核形狀進行了定量描述，並在三維空間中計算出鈾核的三個主軸的相對長度，表明鈾不僅被拉長，並且還在一個維度上被輕微擠壓，就像一個被放了氣的橄欖球。
值得一提的是，從各種流體動力學模型中獲得的精確預測，帶來了重大的計算挑戰。研究人員用了一年多的時間才完成這項計算任務。他們在開放科學網格上進行了計算，用了超過2000萬個中央處理器（CPU）小時，從流體動力學模型中產生了超過1000萬個碰撞事件，然後將其擬合到實驗資料中。
令人興奮的進步
這種新的方法是低能方法測定核結構的一種補充，它能揭示原子核形狀的微小細節，有助於提高物理學家對重離子碰撞的初始條件的理解，進而提高對QGP性質的確定性。這種方法也可用於確定其他原子核的形狀，特別是那些透過低能實驗只能獲得有限理解的原子核。
#創作團隊：
編譯：不二北斗
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=122119
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03633-6
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08097-2
#圖片來源：
封面圖&首圖：Chunjian Zhang/Fudan University and Jiangyong Jia/Stony Brook University
