近日，现代物理研究所马余刚院士课题组在小爆炸核合成理论方向取得重要进展，研究成果以“Unveiling the dynamics of little-bang nucleosynthesis”为题发表在《自然·通讯》杂志上[ Nature Communications 15, 1074 (2024)]。该工作由复旦大学的孙开佳青年研究员（共同一作，共同通讯）、王睿博士（共同一作）、马余刚院士(共同通讯)，美国德州农工大学的Che Ming Ko教授以及美国韦恩州立大学的Chun Shen教授合作完成。
在早期宇宙中，如氘（d）和氦（3He和 4He）等轻核元素主要是在大爆炸核合成期间通过一系列的两体反应（如p+n→d+γ）形成的，当时的温度低于1 MeV (1.2E10 开尔文)。高能核-核碰撞可以产生物质和反物质，为轻核和反轻核的合成提供了一个独特的场所，温度可达到T~100 MeV的数量级。在这些瞬时碰撞的小爆炸中，创造了几乎无粘度的夸克-胶子等离子体（QGP）。科学家们认为这种等离子体状态存在于大爆炸后的几微秒内的早期宇宙中。这种“小爆炸核合成”现象与物质-反物质不对称性的起源、暗物质寻找等基础物理关系紧密，因而理解其微观机制具有重要的理论和现实意义。
图1描绘了高能核-核碰撞中强相互作用物质的时间演化。经过大约1E23 s的短暂预平衡阶段后，系统进入到QGP理想流体阶段，由解禁闭夸克和胶子组成。然后，QGP遵循相对论流体力学演化、膨胀并发生强子化而转变为强子气体，随后是各种强子的再散射和共振衰变。量子色动力学，即自然中的强相互作用理论，预测QGP到强子气体的转变是一个温度为T = 156.5 ± 1.5 MeV的平滑过渡。基于传统统计强子化模型对末态强子产额的分析表明，轻(反)核是从QGP中产生的，就像其他强子一样，它们的产额几乎不受后来的强子气体演化的影响。
然而，本研究表明，基于包括强子再散射效应的相对论量子多体输运方法，特别是包括由π介子参与的多体反应（πNN ↔πd，πNNN ↔π3H和πNd ↔π3H），发现高能重离子碰撞中氚的产量在强子化后强烈减少了约1.8倍（图2）。这一发现得到了RHIC的STAR合作组和LHC的ALICE合作组精确测量的支持，揭示了统计强子化模型在理解这些碰撞中氚核产生的不足之处，强调了强子气体阶段的微观动力学在小爆炸核合成中的重要作用。
图1 高能核-核碰撞的时间演化。从左到右显示了产生的热密物质经历的不同阶段，即，预平衡动力学、夸克-胶子等离子体膨胀、夸克-胶子等离子体的强子化（虚线），以及随后的强子再散射和共振衰变，包括用于核合成的π催化反应。
图2 氘核和氚核产生中的强子相再散射效应。在中快度（|y| < 0.5）区域氘核（a）和氚核（b）数目随时间依赖性。实验数据点来自STAR国际合作组（Phys. Rev. Lett.130, 202301 (2023)）,而理论结果及其统计不确定性则用阴影带显示。
图2展示了金-金（Au+Au）碰撞中氘核（上图(a)）和氚核（下图(b)）数目的时间演化。来自QGP统计强子化的初始氘和氚数目以青色带表示，而在新发展的理论模型Hydro + RKE中加入再散射效应的结果以棕色带显示。在这些碰撞中，末态的氘核数目约为其初始值（强子化）的95%。然而，对于最终的氚核数目，其再散射效应不再可以忽略。打开πNNN ↔π3H和πNd ↔π3H反应之后，最终的氚核数目约为强子化初始值的一半，这与用红色实心圈显示的实验数据很好地吻合。与大爆炸核合成不同，在那里光核反应主导其动力学，而该项理论研究则揭示了π催化的多体反应对于相对论重离子碰撞中的小爆炸核合成的重要性。
本研究为揭示小爆炸核合成的动力学机制迈出了关键的一步，这一成果对推动小爆炸核合成研究，特别是理解高能核-核碰撞中（反物质）原子核团簇产生机制方面，具有重要的理论和实验价值。
该研究工作受到了国家自然科学基金委、基金委上海核物理理论中心、科技部重点研发计划、高等学校“重离子物理学科”创新引智计划等项目资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45474-x
