仰望浩瀚星空時(shí)，你好奇過(guò)某一顆星球樣貌嗎？你想知道一顆星球的質(zhì)量嗎？如果一顆星球的極小內(nèi)核卻占了絕大部分質(zhì)量，你想知道其內(nèi)核物質(zhì)的構(gòu)成嗎？這些看似渺遠(yuǎn)的奧秘，他們的答案，卻可以在地面核物理實(shí)驗(yàn)室通過(guò)原子核碰撞來(lái)找到。清華大學(xué)物理系教師肖志剛和他所帶領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)核物理小組給原子核碰撞拍攝了一部精確到萬(wàn)億億分之一秒的“電影”，帶你領(lǐng)略從核子之微到宇宙之巨的精彩故事?，F(xiàn)在，各位“觀(guān)影嘉賓”請(qǐng)收好本篇“觀(guān)影指南”，一同走進(jìn)重離子物理的世界。
“電影背景”
中子星，一種質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)，而其占絕大部分質(zhì)量的內(nèi)核直徑卻只和海淀區(qū)相當(dāng)?shù)男求w。原子核，一種占了原子幾乎所有質(zhì)量，卻基本上沒(méi)有體積的物質(zhì)。這兩種看起來(lái)差異巨大的物質(zhì)，背后卻蘊(yùn)含了共同的物理規(guī)律，吸引了許多物理學(xué)家的目光。
眾所周知，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。自然界中穩(wěn)定存在的原子核，它們的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)是大致平衡的。而當(dāng)原子核內(nèi)中子和質(zhì)子數(shù)目偏離平衡時(shí)，體系就逐漸變得不穩(wěn)定，描述這一現(xiàn)象的物理量，就是對(duì)稱(chēng)能。正是對(duì)稱(chēng)能這個(gè)物理量，它像一座橋梁，聯(lián)系著原子核和中子星這兩個(gè)尺寸上相差18個(gè)數(shù)量級(jí)的物理系統(tǒng)，成為國(guó)際上核物理學(xué)家們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。
中子星離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)，目前人類(lèi)也無(wú)法前往中子星表面獲取物質(zhì)進(jìn)行研究。因此當(dāng)物理學(xué)家想在地球?qū)嶒?yàn)室研究原子核和中子星的性質(zhì)時(shí)，唯一的方法就是加速兩個(gè)原子核并讓它們發(fā)生碰撞，來(lái)模擬類(lèi)似于中子星條件的核物質(zhì)。在原子核發(fā)生碰撞的瞬間，原子核受到壓縮、隨后解體，通過(guò)對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行精確測(cè)量，可以幫助人們深入理解強(qiáng)相互作用的基本性質(zhì)、理解中子星等致密星體的結(jié)構(gòu)與演化屬性等。
“拍攝目的”
聯(lián)系fm尺度原子核和km尺度中子星的原子核對(duì)稱(chēng)能
肖志剛團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的研究認(rèn)識(shí)到，在重離子碰撞過(guò)程中，不同中子豐度的粒子其出射快慢受到對(duì)稱(chēng)能影響。如果將重離子碰撞比喻成兩輛車(chē)不幸發(fā)生碰撞，在碰撞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多碎片，如果能對(duì)碎片飛出的方向和速度進(jìn)行觀(guān)測(cè)，則可以調(diào)查這起“事故”的主要責(zé)任方、事故原因及碰撞程度。同理，如果可以測(cè)量重離子碰撞中不同粒子的出射時(shí)標(biāo)和出射次序，就可以為對(duì)稱(chēng)能性質(zhì)的研究提供很好的機(jī)會(huì)，這便是給原子核碰撞拍一部萬(wàn)億億分之一秒“電影”的初衷。
“拍攝團(tuán)隊(duì)”
2018年肖志剛團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的照片
于是，肖志剛和他的團(tuán)隊(duì)便擔(dān)任起了這部“電影”的“導(dǎo)演”和“制作團(tuán)隊(duì)”。要拍攝這樣一部“電影”的周期非常長(zhǎng)，在十年前，肖志剛就萌生了給核反應(yīng)“拍電影”的想法，最終帶著一屆又一屆學(xué)生組成的“制作團(tuán)隊(duì)”，完成了這部作品。
拍攝團(tuán)隊(duì)中還有一個(gè)至關(guān)重要的角色，就是“編劇”——理論物理學(xué)家?！皩?dǎo)演”和“編劇”是相輔相成的，沒(méi)有理論物理學(xué)家的推導(dǎo)，肖志剛團(tuán)隊(duì)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到指導(dǎo)。關(guān)于原子核碰撞這部影片的編劇，是來(lái)自南京大學(xué)、中國(guó)原子能研究院和廣西師范大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)的理論核物理學(xué)家們。
“拍攝設(shè)備”
CSHINE探測(cè)系統(tǒng)示意圖
明確“電影”拍攝動(dòng)機(jī)之后，“導(dǎo)演團(tuán)隊(duì)”需要一臺(tái)能夠精確到萬(wàn)億億分之一秒拍攝的超級(jí)“攝像機(jī)”。經(jīng)過(guò)多年的努力，團(tuán)隊(duì)完成了硅條-硅條-CsI（Tl）晶體組成的三疊層粒子望遠(yuǎn)鏡和平行板雪崩室探測(cè)器的制作、組裝和測(cè)試工作，成功打造了一臺(tái)這樣的“攝像機(jī)”——CSHINE探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了氣體、半導(dǎo)體和晶體等不同種類(lèi)的探測(cè)器，涉及真空、氣路、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、濾波成形、時(shí)間甄別、邏輯“快門(mén)”觸發(fā)、數(shù)據(jù)獲取等諸多實(shí)驗(yàn)技術(shù)。經(jīng)過(guò)不斷的建設(shè)與升級(jí)，這臺(tái)“攝像機(jī)”在過(guò)去的六年中，完成了四輪束流實(shí)驗(yàn)，2018年和2019年的前兩輪實(shí)驗(yàn)表明探測(cè)系統(tǒng)性能優(yōu)良。在2022年第三輪實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)升級(jí)了“攝影機(jī)”，添置了一套碘化銫晶體陣列，目的是探測(cè)碰撞初期釋放的高能伽馬射線(xiàn)。想象一下，還是兩輛車(chē)相撞，如果“事故”現(xiàn)場(chǎng)增加一個(gè)收音設(shè)備，可以記錄下事故發(fā)生瞬間的聲音，就可以有更多的信息來(lái)調(diào)查碰撞發(fā)生的具體過(guò)程。同理，探測(cè)重離子碰撞產(chǎn)生的高能光子，獲得的信息也更加全面。
“拍攝腳本”
天文HBT關(guān)聯(lián)測(cè)量與核物理粒子關(guān)聯(lián)測(cè)量
“電影”需要精確到仄秒（十萬(wàn)億億分之一秒，即秒）量級(jí)，除了擁有CSHINE探測(cè)系統(tǒng)這臺(tái)超級(jí)“攝像機(jī)”之外，還需要用到非常精確的“拍攝腳本”——HBT強(qiáng)度干涉測(cè)量技術(shù)（HBT是Hanbury Brown和Twiss兩位科學(xué)家的姓氏縮寫(xiě)），在核物理中也稱(chēng)為小角關(guān)聯(lián)函數(shù)方法。最初HBT通過(guò)兩個(gè)相互靠近的望遠(yuǎn)鏡，記錄天狼星光信號(hào)強(qiáng)度的符合信息，得到天狼星的角直徑。后來(lái)人們將此方法拓展到核物理中，通過(guò)測(cè)量小相對(duì)角度內(nèi)兩個(gè)符合粒子的動(dòng)量關(guān)聯(lián)信息，得到核反應(yīng)過(guò)程中碰撞區(qū)域的時(shí)間和空間的演化特性。
“影片三部曲”
NST雜志封面文章介紹用于HBT粒子關(guān)聯(lián)函數(shù)測(cè)量的CSHINE探測(cè)系統(tǒng)
第一幕《“四擊頭”亮相，“演員”眾登場(chǎng)》：第一幕是關(guān)于在重離子碰撞這一極快反應(yīng)過(guò)程中，記錄氫的三種同位素粒子“演員”的出場(chǎng)順序和出場(chǎng)時(shí)間的故事。該片段的拍攝過(guò)程中，“導(dǎo)演團(tuán)隊(duì)”精細(xì)測(cè)量了中能重離子碰撞中小相對(duì)角度的兩粒子符合事件，經(jīng)過(guò)粒子鑒別后，找到兩質(zhì)子符合事件，重建質(zhì)子關(guān)聯(lián)函數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然后，根據(jù)質(zhì)子間的相互作用、發(fā)射源尺寸和粒子發(fā)射時(shí)標(biāo)，計(jì)算對(duì)應(yīng)不同發(fā)射時(shí)標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)理論曲線(xiàn)。最后，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到質(zhì)子的動(dòng)力學(xué)發(fā)射時(shí)標(biāo)，大約在3仄秒。在這么短的時(shí)間尺度下，為了比較不同種類(lèi)粒子發(fā)射的先后順序，他們還得使用更加精微的技術(shù)，即速度區(qū)分的粒子關(guān)聯(lián)函數(shù)技術(shù)。想象一下，假設(shè)氘核比質(zhì)子先發(fā)射出來(lái)，那么當(dāng)質(zhì)子的速度較大時(shí)，質(zhì)子就會(huì)追上氘核，產(chǎn)生較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)效果；而當(dāng)質(zhì)子速度較小時(shí)，它們就會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)，最終的關(guān)聯(lián)效果就弱。通過(guò)這種技術(shù)，實(shí)驗(yàn)組得到了氕、氘和氚的出射次序，確定了豐中子的氚核出射更早，其次是氘核和質(zhì)子。粒子“出場(chǎng)順序”的測(cè)量類(lèi)似于給原子核拍攝了萬(wàn)億億分之一秒的“電影”，相關(guān)物理結(jié)果于2022年在PhysicsLetterB上發(fā)表[Physics Letters B 825，136856(2022)]，這為使用CSHINE開(kāi)展費(fèi)米能區(qū)重離子碰撞實(shí)驗(yàn)研究打下良好的基礎(chǔ)。
關(guān)聯(lián)函數(shù)提取發(fā)射時(shí)標(biāo)
第二幕《偏在微納做“道場(chǎng)”》：該片段主要講述在重離子電光火石般的碰撞過(guò)程中，豐中子粒子和缺中子粒子以“乒乓”模式交替出射的故事。在“看到”粒子的“出場(chǎng)順序”后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出，一次核反應(yīng)中先后出射的兩個(gè)“演員”粒子間的中子豐度是否存在顯著聯(lián)系。通過(guò)分析每次碰撞中與中等質(zhì)量碎片符合出射的氚和氦-3的能譜和產(chǎn)額比，他們發(fā)現(xiàn)，雖然氚和氦-3的能譜呈現(xiàn)出標(biāo)度現(xiàn)象，但它們的產(chǎn)額比與關(guān)聯(lián)中等質(zhì)量碎片的中質(zhì)比呈現(xiàn)顯著的反關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō)，如果先出射的碎片相對(duì)豐中子，則伴隨出射的輕粒子相對(duì)缺中子，反之亦然，呈現(xiàn)一種有趣的“乒乓”模式。這一幕記錄了核反應(yīng)中“演員”(粒子)的出射模式，為研究核碰撞動(dòng)力學(xué)與核子結(jié)團(tuán)出射性質(zhì)提供了新思路，相關(guān)結(jié)果于2023年在PhysicalReview C上發(fā)表[PhysicalReview C, 107, L041601 (2023)]。
與重碎片符合的輕粒子產(chǎn)額示意圖
第三幕《捕捉原子核碰撞最初的那束光》：該片段主要講述通過(guò)測(cè)量重離子碰撞中的高能光子譜來(lái)認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)高動(dòng)量成分和短程核子-核子關(guān)聯(lián)的故事。首先讓我們想象一下原子核內(nèi)部的情形，研究表明，原子核內(nèi)的核子并不“安靜”，像一屋子嘈雜的人群那樣。但核子間存在一定的幾率形成配對(duì)狀態(tài)（短程關(guān)聯(lián)），類(lèi)似形成了一對(duì)“舞伴”。理論上認(rèn)為，這種關(guān)聯(lián)會(huì)導(dǎo)致核子動(dòng)量分布出現(xiàn)一個(gè)顯著的高動(dòng)量成分。為了從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證這個(gè)圖像，肖老師團(tuán)隊(duì)在CSHINE中加入高能光子探測(cè)陣列，去捕捉碰撞早期的那束光。通過(guò)測(cè)量高能韌致輻射光子能譜，并與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，他們?cè)?0%的置信度水平上，揭示了原子核內(nèi)核子高動(dòng)量成分的存在。這個(gè)工作從一個(gè)全新的視角展現(xiàn)了原子核內(nèi)核子-核子短程關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，相關(guān)結(jié)果最近在PhysicsLetterB上發(fā)表[Physics Letters B 850, 138514 (2024)]。
高能光子“拍攝設(shè)備”和光子能譜
“彩蛋”
這臺(tái)超級(jí)“攝像機(jī)”——緊湊型重離子碰撞譜儀CSHINE（Compact Spectrometer for Heavy IoN Experiment），其開(kāi)頭的“C”也寓意“China”?！拔蚁Ｍ覀冎袊?guó)（China）能在重離子物理領(lǐng)域閃耀（shine）整個(gè)世界，這就是CSHINE！”肖志剛滿(mǎn)懷憧憬地說(shuō)。
學(xué)道須當(dāng)猛烈，始終確守初心。保持對(duì)自然的好奇和敬畏，這是物理學(xué)家們進(jìn)行一切探索和研究的初心。在剛剛結(jié)束的第四輪束流實(shí)驗(yàn)中，他們又增加了中子探測(cè)器陣列，以期捕獲到最難測(cè)量到的中子。期待肖老師團(tuán)隊(duì)及團(tuán)隊(duì)未來(lái)能帶來(lái)更多精彩“作品”。
（清華新聞網(wǎng)3月21日電）
記者：吳子璇
