近期，现代物理研究所马余刚院士课题组理论预言了高能重离子碰撞中超氚核动量谱的量子软化效应。该研究以“Softening of the hypertriton transverse momentum spectrum in heavy-ion collisions”为题，于2024年7月12日发表在核物理期刊Physics letters B上[Phys. Lett. B 855 (2024) 138855]。该工作由复旦大学现代物理研究所博士研究生刘代能、博士研究生王远哲、孙开佳青年研究员、寿齐烨研究员、马余刚院士、美国德州农工大学的Che Ming Ko教授、欧洲核子中心的Maximiliano Puccio教授以及意大利INFN的Francesco Mazzaschi教授合作完成。

相对论重离子碰撞实验提供了超核和反物质超核的理想产生场所。如图1所示，两个接近光速的重离子发生碰撞，经过短暂的预平衡演化形成热密夸克-胶子等离子体(QGP)，再经过QGP流体演化，温度和密度进一步降低而发生相变形成强子，再经过强子散射到动力学冻出。一般认为（反）轻核和（反）超核在强子物质演化的末态产生。超核及反超核的研究对于理解物质-反物质不对称起源以及超子-核子间强相互作用基本性质具有重要科学意义。

图1 重离子碰撞演化以及轻核产生示意图。

图2 铅+铅5.02TeV碰撞能量中在三个不同中心度下，中心快度区间中超氚与氦-3的平均横动量比值与d-Λ距离的函数图，虚线表示并合模型计算的结果，其中实心点表示三种不同的结合能计算得到的结果；灰色实线表示Blast-wave计算得到的结果。图取自Phys. Lett. B 855 (2024) 138855。

超核是由至少一个超子组成的原子核，其中最简单的超核是超氚核和反超氚核。如图1（右）所示，超氚核由一个超子、一个质子和一个中子组成。超氚的结构大致可以被看做是Λ超子围绕着氘核而形成的一个晕核，其直径大约为10 fm。本研究团队尝试研究超氚核较大波函数半径对其在重离子碰撞中产生的影响。图2展示了超氚核和氦-3核的平均横动量比值随超氚波函数半径的依赖。在铅+铅5.02TeV碰撞能量的系统中，随着结合能减小，波函数半径增加，平均横动量的比值减小。并且，三个不同的结合能下，并合模型给出的超氚的平均横动量都比氦-3的小，动量谱呈现明显的软化效应。相反的，在基于局域热平衡假设下的blast-wave模型中，由于超氚的质量比氦-3大，因此超氚的平均横动量比氦-3的大，其平均横动量的比值大于1。有关超氚动量谱的软化效应的预言可以在未来的重离子碰撞实验中进行验证。

本研究发现的超氚动量谱的量子软化效应为理解超氚的结构和产生机制提供了全新的窗口，具有重要物理意义。

该研究受到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。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.physletb.2024.138855