破译微观世界的重要形状

  测定原子核的形状  

宇宙中超过99.9%的可见物质，都存在于原子的中心，也就是由质子和中子构成的原子核。几十年来，物理学家都在探索一个有趣且深刻的问题，那就是原子核究竟是什么形状的？

破译原子核的形状之所以重要，是因为它与一系列重要的物理学问题相关。例如，哪些原子最有可能在核裂变中分裂，重原子元素在中子星碰撞中是如何形成的，哪些原子核或许能够为发现奇异粒子衰变指明道路等等。

过去，物理学家是通过涉及能使低能离子偏离原子核的实验，来推断原子核的形状。但是，这种低能实验方法的时间尺度相对较长，给出的成像就像是长时间曝光的照片。它无法捕捉到原子核内的质子在非常快的时间尺度下的所有细微变化。而且由于这些方法大多使用电磁相互作用，因此它们无法直接“看到”原子核中不带电的中子，只能得到整个系统的平均值。

在一项于近期发表在《自然》杂志上的研究中，相对论性重离子对撞机（RHIC）的一个物理学家团队展示了一种使用高能粒子碰撞来研究原子核形状的新方法。他们以极高的能量碰撞了两束铀-238，然后又碰撞了两束金。通过这种高能实验方法，他们不仅量化了原子核的整体形状，还量化了微妙的三轴性。

  从碎片中重建形状  

从RHIC多年的实验中，物理学家们已经知道，高能的核碰撞会融化原子核中的质子和中子，从而释放出更基本的组成部分——夸克和胶子。这些被称为夸克-胶子等离子体（QGP）的熔融核物质团块的形状和膨胀，是由碰撞的核的形状决定的。每个QGP团块的形状和大小直接影响其产生的压力梯度，而压力梯度又会反过来影响QGP在冷却时发射的粒子的集体流动和动量。

研究人员认为，他们可以对这种关系进行“逆向工程”，进而获得有关核结构的信息：因此，他们使用了RHIC的一个名为STAR的探测器，分析了由碰撞产生的粒子的流动和动量，并将结果与不同的QGP形状的流体动力学膨胀模型进行比较，从而推断出最初的原子核的形状。

椭圆铀核的对头碰撞可以在体-体和端-端之间的方位产生具有不同形状和大小的夸克-胶子等离子体（QGP）。这些QGP特征驱动不同的膨胀模式，导致发射粒子的不同分布。通过测量这些“流动”模式在碰撞之间的变化，并将其与近球形金核的碰撞进行比较，科学家就可以推测出铀核的形状。（图/Jiangyong Jia / Stony Brook University）

为了证明这是一种切实有效的方法，他们比较了金核的中心碰撞和铀核的中心碰撞。

过去的低能实验表明，金核的中心碰撞更接近球形，从一张图像到下一张图像都是一致的。新研究所采用的高能方法也证实了金核的球形。由于金核几乎是球形的，所以发射粒子的流动模式在每次碰撞之间不会有太大的变化。在新研究中，研究人员观测到金核的中心碰撞产生了圆形的、固定大小的QGP，它向各个方向均匀地膨胀。

相比之下，当铀核以不同的方向碰撞时，它们在快照中发生了变化，产生各种形状和大小的QGP。通过比较铀-铀和金-金碰撞之间的测量结果，并将这些结果与成功描述了QGP的其他特征的流体动力学模型相匹配，研究人员对铀核形状进行了定量描述，并在三维空间中计算出铀核的三个主轴的相对长度，表明铀不仅被拉长，并且还在一个维度上被轻微挤压，就像一个被放了气的橄榄球。

值得一提的是，从各种流体动力学模型中获得的精确预测，带来了重大的计算挑战。研究人员用了一年多的时间才完成这项计算任务。他们在开放科学网格上进行了计算，用了超过2000万个中央处理器（CPU）小时，从流体动力学模型中产生了超过1000万个碰撞事件，然后将其拟合到实验数据中。

  令人兴奋的进步  

这种新的方法是低能方法测定核结构的一种补充，它能揭示原子核形状的微小细节，有助于提高物理学家对重离子碰撞的初始条件的理解，进而提高对QGP性质的确定性。这种方法也可用于确定其他原子核的形状，特别是那些通过低能实验只能获得有限理解的原子核。