清華新聞網(wǎng)4月12日電 美國(guó)相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）上進(jìn)行的高能重離子（重核）碰撞的首要物理目標(biāo)之一是制造極高溫環(huán)境（十萬(wàn)倍于太陽(yáng)中心溫度）以產(chǎn)生由夸克和膠子直接構(gòu)成的新物態(tài)——夸克膠子等離子體（Quark-Gluon Plasma, QGP）并研究其性質(zhì)。這種QGP物態(tài)曾在大爆炸之后10微秒的短暫時(shí)間內(nèi)充滿(mǎn)整個(gè)宇宙。
STAR實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組實(shí)驗(yàn)測(cè)量的底夸克偶素（Υ（1S），Υ（2S）和Υ（3S））都是由底夸克和反底夸克在強(qiáng)相互作用下組成的色中性束縛態(tài)，它們?cè)谡婵罩械某叨入S束縛能變小而增大。在QGP中，強(qiáng)相互作用的德拜屏蔽效應(yīng)改變了底夸克和反底夸克之間的相互作用勢(shì)，使得弱束縛（大尺度）的底夸克偶素激發(fā)態(tài)更容易解除束縛而造成產(chǎn)額壓低，這被稱(chēng)為“順次熔解”或“順次壓低”（見(jiàn)圖1）。由于各個(gè)態(tài)產(chǎn)額壓低的程度對(duì)QGP的溫度（決定了德拜屏蔽長(zhǎng)度）非常敏感，因此這些態(tài)產(chǎn)額壓低的測(cè)量也被稱(chēng)為QGP的“溫度計(jì)”。
圖1.重離子碰撞中產(chǎn)生的底夸克偶素在夸克膠子等離子體中的“順次熔解”示意圖
由于這些粒子產(chǎn)額較少且本底較大，重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中底夸克偶素的測(cè)量非常困難，需要專(zhuān)門(mén)的探測(cè)器對(duì)底夸克偶素進(jìn)行觸發(fā)和鑒別。清華大學(xué)工程物理系王義教授自2006年起在研制建造STAR飛行時(shí)間探測(cè)器基礎(chǔ)上，深度參與了STAR繆子探測(cè)器（Muon Telescope Detector, MTD）升級(jí)項(xiàng)目的預(yù)研并主持了自然科學(xué)基金委重點(diǎn)國(guó)際合作項(xiàng)目“STAR 新型μ子探測(cè)器建造及相關(guān)物理研究”，創(chuàng)新性地采用具有高時(shí)間分辨率的多氣隙阻性板室（MRPC）建造MTD，提高了雙繆子信號(hào)的時(shí)間匹配精度，且可以通過(guò)飛行時(shí)間差來(lái)消除強(qiáng)子信號(hào)的本底干擾。他與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，為STAR生產(chǎn)了120個(gè)大面積條形讀出MRPC探測(cè)器，時(shí)間分辨達(dá)70ps，探測(cè)器效率高達(dá)98%，位置分辨優(yōu)于1cm。圖2a為STAR-MTD MRPC探測(cè)器結(jié)構(gòu)，圖2b為安裝在STAR譜儀磁鐵外面的MTD探測(cè)器模塊照片。2014年MTD全部安裝到STAR上（見(jiàn)圖2c），并在2014年和2016年采集了大統(tǒng)計(jì)量的200 GeV金核-金核碰撞數(shù)據(jù)。工程物理系朱相雷副教授和博士生黃欣杰在2012年完成了安裝在STAR上的MTD原型探測(cè)器的首次完整刻度，黃欣杰負(fù)責(zé)了2013年至2016年所有MTD探測(cè)器的刻度工作。2014年至2015年取數(shù)期間，黃欣杰還負(fù)責(zé)MTD探測(cè)器運(yùn)行和維護(hù)等工作。物理分析方面，黃欣杰利用2014年獲取的MTD數(shù)據(jù)獲得了STAR實(shí)驗(yàn)首個(gè)雙繆子道的Υ壓低實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這也是他博士論文的主要內(nèi)容。
圖2.(a)STAR-MTD MRPC結(jié)構(gòu)圖；(b) 安裝在STAR譜儀磁鐵外面的MTD探測(cè)器模塊照片；(c) 完成MTD升級(jí)的STAR探測(cè)器示意圖
研究成果結(jié)合了2014年和2016年采集的MTD數(shù)據(jù)得到了雙繆子道Υ測(cè)量最終結(jié)果，又合并了2011年采集的量能器觸發(fā)的雙電子道Υ測(cè)量結(jié)果，得到了RHIC能區(qū)重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中Υ產(chǎn)生的最精確實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該結(jié)果顯示出RHIC能區(qū)的重離子碰撞中存在底夸克偶素“順次壓低”的實(shí)驗(yàn)跡象（見(jiàn)圖3），表明碰撞中產(chǎn)生的高溫介質(zhì)強(qiáng)烈壓制了激發(fā)態(tài)Υ的產(chǎn)生。該測(cè)量對(duì)理解高溫介質(zhì)中的強(qiáng)相互作用性質(zhì)以及提取QGP熱力學(xué)參數(shù)提供了重要實(shí)驗(yàn)約束。該成果也是繼反氦核發(fā)現(xiàn)、奇異粒子探測(cè)QCD相結(jié)構(gòu)之后，工程物理系團(tuán)隊(duì)的又一重大貢獻(xiàn)。
圖3. STAR實(shí)驗(yàn)在200 GeV金核-金核碰撞中發(fā)現(xiàn)底夸克偶素“順次壓低”的實(shí)驗(yàn)跡象
該成果于3月14日以“STAR實(shí)驗(yàn)200GeV金核-金核碰撞中Υ粒子順次壓低測(cè)量”（Measurement of Sequential Υ Suppression in Au + Au Collisions at√sNN = 200 GeV with the STAR Experiment）為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
STAR實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組由來(lái)自14個(gè)國(guó)家71個(gè)單位的700多位科研人員組成。王義教授、朱相雷副教授和工物系博士畢業(yè)生黃欣杰是該STAR合作組論文的主要作者。相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及清華大學(xué)自主科研計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.112301
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
