近日，马余刚院士课题组与合作者基于重离子碰撞输运理论与轻核实验数据，首次实现了高密核物质中轻核介质效应的提取，并发现高温高密核物质中可能存在大量α粒子结团。该研究成果以“Clustered Nature of Hot and Dense Nuclear Matter: Signatures from Heavy-Ion Collisions”为题，发表于物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。复旦大学王睿博士为该论文的第一作者，合作者包括中山大学张振副教授、上海交通大学陈列文教授、美国德州农工大学Che Ming Ko教授、复旦大学孙开佳青年研究员与马余刚院士。
核物质是否完全由近乎自由的中子和质子组成，是否存在自发形成的轻原子核结团，例如氘核（d）、氚核（t）、氦-3（3He）或α粒子？这是核物质研究中最基本、最底层的科学问题，对理解核物质状态方程、超新星爆发、中子星并合等天体物理过程具有重要作用。解答这一问题的核心在于厘清轻核的介质效应。由于泡利阻塞效应削弱了核子之间的关联，轻核的结合能在介质中会受到压低。当介质的（相空间）密度足够高时，这种效应可导致轻核解体，即所谓的莫特（Mott）效应。长期以来，研究者普遍认为该效应在高密条件下非常显著，使得在高于核物质饱和密度（饱和密度ρ₀ ≈ 0.16 fm⁻³，约为水密度的一百万亿倍）的环境中，轻核几乎无法存在。另一方面，当温度的升高时，该效应会在一定程度上受到抑制，但这种抑制究竟有多强？由于无法直接观测，从实验数据中提取莫特效应强度是一个长期存在的难题。
课题组曾基于闭合时间路径格林函数理论，发展出一套能够描述重离子碰撞中轻核产生的输运方法 [Phys. Rev. C 108, L031601 (2023)；Nature Commun. 15, 1074 (2024)]。在该理论框架下，核子之间的多体关联被视为轻核形成的关键机制，同时通过有效方式引入轻核的介质效应，从而为研究高温高密核物质中轻核性质提供了新的途径。在此基础上，研究团队对中能区重离子碰撞实验中的轻核产额开展了贝叶斯分析，进而定量提取了轻核介质效应的强度。鉴于大部分α粒子主要产生于重离子碰撞的压缩阶段，所提取的介质效应强度能够较为直接地反映高温高密核物质中轻核的组分特征。研究结果表明，即使在传统上认为不利于轻核存在的高温高密环境中，α结团仍然可以大量形成，其组分比例甚至可达约20%。这一发现表明，介质效应对轻核形成的抑制作用可能显著弱于以往预期（见图一）。
图一：基于重离子碰撞输运理论及实验测得的轻核产额，对高温（20 MeV，约为2300亿K）、高密（1–2ρ₀）核物质中α粒子组份的估计（灰色区域与橙色区域的重合部分）。该估计显著高于此前的模型计算结果（蓝色与绿色曲线）。
该研究开辟了核物理的一个新研究方向，即通过重离子碰撞输运模型系统研究轻核的介质效应。后续工作可进一步围绕密度涨落、多体碰撞等关键动力学过程，深入探讨其对重离子碰撞中轻核产生机制的影响。该研究还表明当前主流的核子平均场模型可能存在一定局限性，有必要在理论框架中显式引入轻核自由度及相应的介质效应。同时，结团现象可能显著改变高温高密核物质的热力学性质，尤其是核物质状态方程，从而对超新星爆发和中子星并合等重要天体物理过程产生深远影响。
该研究得到了国家自然科学基金委、理论物理专款上海核物理理论研究中心、国家重点研发计划、国家SKA计划、广东省基础与应用基础研究基金以及上海市科学技术委员会的支持。
论文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/ffxr-mmlg [Phys. Rev. Lett. 136, 172301 (2026)]
联系我们：
- 扫码关注 -