近日，复旦大学现代物理研究所上海核物理中心研究团队在相对论重离子碰撞中探测氖原子核团簇结构的研究中取得重要理论进展，研究成果以“Identifying α-cluster configurations in 20Ne via ultracentral Ne+Ne Collisions”为题发表在《物理评论快报》 (Phys. Rev. Lett. 136, 082302 (2026))上。
探究轻核中的团簇结构是量子多体物理的核心课题之一，对揭示核天体物理中的核合成过程至关重要。长期以来，20Ne 原子核被视为研究核结构从平均场向团簇演化的“试金石”。针对 20Ne 的低能结构，不同的理论模型提出了相互竞争的物理图像。例如：由 20Ne基态及其低激发态构成的宇称反转转动带，为 α +16O 不对称双团簇构型提供了重要物理支持；而另一方面，代数集体模型（ACM）基于具备 D3h对称性的 5α 双棱锥几何图景，也成功重现了电子散射实验的形状因子谱。然而，传统的低能散射实验在面对这些复杂的团簇竞争构型时，往往难有提取甄别不同图像所需的关键可观测量。因此，澄清 20Ne 的微观结构演化图像，不仅能为原子核量子多体理论提供最直接的实验约束与理论判据，也将为核天体物理研究提供关键的理论输入。本研究创新性地提出，利用相对论重离子碰撞这一“超级显微镜”，可以将20Ne原子核瞬时的内在几何结构“印迹”在碰撞产生的夸克-胶子等离子体（QGP）的初始几何形状上。为了定量区分20Ne的不同结构（5α团簇构型vs α+16O两体构型），研究团队将微观理论模型与高能碰撞唯象模型结合，基于微观团簇模型精确构建核子的反对称化效应与空间关联结构，并使用流体力学模型进行了碰撞全过程的自洽演化模拟。研究综合考虑了初始态几何涨落以及末态流体动力学演化的影响，最终发现并确立了两个关键的甄别观测量：椭圆流（v2）和三角流（v3）之间的归一化对称累积量NSC(3, 2)，和椭圆流（v2）和平均横动量（<pT>）之间的Pearson关联系数ρ2。研究表明，NSC(3, 2)和ρ2在0-5%的极中心碰撞中对于5α团簇构型和α+16O两体构型，表现出明显的符号差异。这些观测量建立起了初态核结构波函数与末态集体流关联量之间的直接联系。
图1归一化累积量NSC(3, 2)和Pearson关联系数ρn随20Ne结构参数k变化的解析结果
图2归一化累积量NSC(3, 2)和Pearson关联系数ρn随中心度变化的流体力学模拟结果
该研究成果不仅为欧洲核子中心（CERN）LHC能区Ne+Ne碰撞实验以及LHCb固定靶Pb+Ne碰撞实验提供了关键的理论预言和实验指导，还展示了高能物理与低能核物理深度融合的巨大潜力，为未来在CERN开展各种轻核碰撞提供了新的理论支撑。该新方法打破了传统实验的局限，创建了在极端相对论能区探测轻核团簇构型的新范式，为揭示核物质中深层次的多体量子关联提供了可能。
论文第一作者李沛是我系2024届博士研究生（导师：马国亮 研究员），曾获首届国家自然科学基金青年学生基础研究项目（本科生）资助。通讯作者为我系周波教授和马国亮研究员。该研究得到了国家自然科学基金、理论物理专款上海核物理理论研究中心、核物理与离子束应用实验室教育部重点实验室、国家科技部重点研发计划等项目的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/tffz-8q1m
论文DOI: https://doi.org/10.1103/tffz-8q1m
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