探索宇宙大爆炸后最初几微秒的物质形态，寻找量子色动力学（QCD）预言的临界点，是当前核物理领域最前沿的科学问题之一。近日，复旦大学现代物理研究所马余刚院士团队依托RHIC-STAR国际合作实验，在高重子密度区强相互作用物质性质研究方面取得重要进展。研究成果以“Nonmonotonicity of transverse momentum correlations in Au + Au collisions at RHIC”为题，发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 137, 132301 (2026)]。
从QCD相图出发：寻找临界点的实验线索
研究极端温度和重子密度条件下强相互作用物质的性质，是核物理的重要前沿课题。量子色动力学（QCD）预言，强相互作用物质在不同温度和重子密度下可能呈现不同的物质形态和相变结构，这些性质可由QCD相图描述（图1左）。在极高温度下，夸克和胶子的自由度从强子中解除禁闭，形成曾存在于宇宙大爆炸后最初几微秒内的夸克-胶子等离子体（QGP）。强子物质与QGP是强相互作用物质的不同形态。理论计算表明，在高温、低重子密度区域，二者之间为平滑交叉过渡；而许多理论研究预期，在高重子密度区域可能存在一级相变边界，其端点可能对应QCD临界点。寻找QCD临界点及其相关临界现象，是当前高能核物理领域的重要课题，对于完善QCD相图结构、认识核物质状态方程和理解强相互作用的非微扰性质具有重要意义。
高统计量数据+多能区扫描：捕捉非单调涨落信号
马余刚院士团队与合作者依托美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上的STAR探测器（图1中），基于束流能量扫描第二阶段（BES-II）采集的高统计量金-金（Au + Au）固定靶碰撞数据，并结合7.7 GeV对撞模式数据开展一致性检验。团队首次在高重子密度区域系统测量了质心系能量3.0至7.7 GeV的两粒子横动量关联，并与BES-I测量结果进行了系统比较。研究发现，碰撞末态粒子的逐事件二阶横动量涨落随碰撞能量呈现显著的非单调行为（图1右）。在0-5%最中心碰撞区间（红色点），该非单调结构相对于单调基线的统计显著性达到5σ；在30-40%中心度碰撞中（蓝色点），相应的偏离显著性约为2σ。作为对照，未包含临界涨落效应的AMPT输运模型计算相对于单调基线的偏离显著性约为1.4σ。
图1： RHIC上的STAR探测器（中）；强相互作用物质相图示意图（左）；逐事件平均横动量动力学涨落观测量随碰撞能量呈现的显著非单调行为（右）。
为QCD相图研究提供新约束，为理论模型提供检验基准
该实验结果为研究高重子密度区的核物质状态方程及可能存在的临界动力学提供了新的实验约束，也为相关理论模型提供了检验基准。该结果有望推动包含临界涨落效应的理论研究，并为依托国内外不同能区大科学装置开展相关横动量动力学涨落测量提供重要参考。
该项实验研究由我系研究生刘政、张春健青年研究员和陈金辉教授等共同主导完成。后续研究仍在进行，团队正在进一步研究逐事件平均横动量高阶涨落对束流能量、碰撞系统和粒子种类的依赖。
该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、国家自然科学基金理论物理专款“上海核物理理论研究中心”等项目的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/2xsn-rgx3
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