2026年6月17日——在相对论重离子对撞机（RHIC）上研究粒子碰撞的科学家们，通常捕捉的是原子核以接近光速相互撞击时发生的情况。但即使原子核没有发生碰撞，有趣的事情也可能发生。在刚刚发表于《物理评论快报》的一篇新论文中，RHIC的STAR合作组成员描述了一种利用RHIC上的“近失”碰撞来研究原子核内部情况的新方法。这种方法拓展了RHIC（美国能源部（DOE）科学办公室设在布鲁克海文国家实验室的用户设施）的研究疆域，将其带入核物理的下一个前沿——深入探索物质基本组构单元的奥秘。

该技术依赖于被称为光子的光粒子，这些光子包裹着在RHIC 2.4英里长的环形轨道上飞驰的原子核。其作用类似于巨型X光机的光束，一个原子核周围的光子可以与沿相反方向高速掠过原子核内部的胶子粒子相互作用。通过追踪这些相互作用产生的信号，科学家可以绘制出胶子（一种将原子核结合在一起的胶状粒子）的分布图。

“这是人们利用光探索我们世界中隐藏结构的众多方式的延伸——从使用X光观察骨折和揭示蛋白质的三维原子结构，到捕捉宇宙微波背景辐射的信号以研究宇宙的演化，”STAR合作组成员、来自肯特州立大学的Ashik Ikbal表示，他将此项工作作为博士后研究的核心内容。“在这种情况下，我们利用光来绘制远小于原子尺度的结构特征，以研究将原子核质子和中子内部的夸克结合在一起的胶子。”

核物理学家对胶子尤为感兴趣，因为它们在确立质子和中子（构成我们宇宙中几乎所有可见物质的基本单元）的基本属性方面似乎发挥着超乎寻常的作用。绘制胶子分布图是正在布鲁克海文实验室建造、并将以RHIC基础设施和科学成果为基础的新型核物理研究设备——电子-离子对撞机（EIC）的核心目标之一。

在EIC，由电子发射的虚光子将提供科学家用来揭示胶子在质子和原子核内排列和相互作用的“光束”。这些来自RHIC的新结果预示了这种成像技术的前景，并提供了一种检验其理论假设的方法。

利用光创造粒子并绘制结构图

RHIC中用于这种成像技术的光粒子某种程度上是一种人工产物。它们以电磁能量云的形式出现，环绕着在圆形加速器中以接近光速运动的带正电离子。当两个沿相反方向运动的离子非常接近地擦肩而过而未碰撞时，这些能量的“冲击波”有时会相互作用，从纯能量中创造出新的物质和反物质粒子。

在其他情况下，光子通过与原子核内部的胶子相互作用来创造新粒子。例如，早期的一项STAR论文追踪了产生被称为ρ介子的粒子的光子-胶子相互作用。STAR科学家通过寻找ρ介子衰变产生的、带相反电荷的π介子（子体）对来探测这些粒子。通过追踪π介子的速度及其撞击探测器的角度，科学家认为他们可以利用这些量子纠缠粒子产生的干涉涟漪来绘制原子核内的胶子分布图。

但由于ρ粒子衰变极快，干涉的起源存在不确定性——特别是这种干涉是来自衰变产生的“子体”π介子还是来自“母体”ρ介子。此外，相对较轻的ρ粒子缺乏绘制详细胶子特征所需的“焦距”。

翻转干涉图案

这篇新论文在前述工作的基础上，追踪了被称为J/psi粒子的更重介子的子体，这些粒子同样产生于光子-胶子相互作用。

“J/psi粒子更重但更紧凑的结构应该会提升其成像分辨率，”中国科学技术大学（USTC）教授、新任STAR合作组副发言人之一Zebo Tang表示。“J/psi粒子在衰变前比ρ介子存活时间更长，因此其自身的干涉图案与其衰变产物（在这种情况下是电子和正电子）的干涉图案之间有更多时间分离。”

最重要的是，这些电子和正电子子体具有一种叫做自旋的量子特性，这是ρ介子的子体所不具备的。与科学家在研究ρ介子时看到的情况相比，这种自旋特性完全“翻转”了粒子的干涉图案。

“如果你想象一个峰谷交替重复的波，ρ介子及其子体π介子产生的干涉波本质上具有完全相同的图案——峰顶对齐峰顶，谷底对齐谷底。但是，当我们追踪J/psi衰变产生的电子和正电子子体时，它们产生了相反的图案——与ρ介子、它们的π介子子体，甚至它们自己的J/psi母体都相反。原先的低点变成了高点，高点变成了低点，”布鲁克海文实验室/STAR合作组物理学家Prithwish Tribedy说。

科学家们在RHIC使用三种不同类型的离子（金、锆和钌）进行的近失碰撞数据中观察到了同样的翻转图案。事实上，干涉图案在较小的原子核中变得更强，这正是理论家预测的如果干涉是由衰变子体驱动时会发生的情况。

“看到这种翻转图案以及与使用三种不同类型原子核碰撞数据中预测的一致性，让我们确信子体是干涉的真正来源，”中国科大学生王恺阳（Kaiyang Wang）表示，这是其博士论文的部分工作。

特别令人兴奋的是，这项测量不仅仅确认了量子干涉效应。它使科学家能够利用这些信息，通过一些回溯来了解胶子在原子核内是如何分布的。

绘制胶子分布图

对于ρ介子或J/psi衰变的情况，科学家可以利用子体粒子撞击探测器的动量分布和角度来推断其母体粒子的自旋信息。这对于J/psi比对于ρ介子更容易，但该方法对两种粒子都有效。反过来，母体自旋为他们提供了关于触发初始光子-胶子相互作用的光子的自旋取向、与其碰撞的原子核的取向，以及产生母体粒子的胶子的确切位置等信息。你可以将其视为在亚原子尺度上对胶子进行“地理定位”的超高科技手段。

“我们最终是用母体粒子来‘看’原子核内部，因为它们最接近胶子触发的相互作用，但正是认识到子体让我们能够直接获取这些相互作用的信息，才使得这种成像成为可能，”STAR合作组成员、中国科大教授Zha Wangmei表示。

胶子成像的未来

“这将是EIC上将使用的确切技术，”坦普尔大学的核理论家Farid Salazar表示，他帮助开发了用于与RHIC测量结果进行比较以及用于EIC未来科学计划的理论预测。

在EIC，光子将由与离子相互作用的电子发射，测量将主要依赖J/psi衰变。

一方面，J/psi衰变子体的自旋使得推断母体自旋取向变得容易。此外，它们紧凑的尺寸使其能够观察到更精细尺度的细节。通过数学计算描述它们也更容易。这使得科学家在评估实验测量结果时，更容易得出用于判断数据是否与理论家对胶子预期行为的预测相符的理论预测。

物理学家希望在EIC探索的主要谜团之一是，能够分裂和重新结合的胶子是否会在原子核内达到一种“饱和”状态，其中这些分裂和重组过程相互平衡。STAR的其他发现已经显示了胶子重组的迹象，这是达到胶子饱和稳态的必要步骤。通过使用虚光子进行J/psi成像，EIC可能成为首个揭示这种被称为“彩色玻璃凝聚态”新物质状态确凿证据的对撞机。

“RHIC的运行已经结束，将布鲁克海文实验室的加速器基础设施改造为EIC的工作已经开始，但在未来许多年里，我们将继续对RHIC数据进行深入分析，”布鲁克海文实验室的Tribedy说。“这些分析无疑会产生更多发现——并帮助我们为EIC开发理论和实验方法。”

此项分析的其它合作者包括来自肯特州立大学的Declan Keane和Zhangbu Xu，俄亥俄州立大学的Daniel Brandenburg，以及华南师范大学的Shuai Yang。

这项研究得到了DOE科学办公室、美国国家科学基金会（NSF）以及科学论文中列出的多家国际机构和组织的资助。除了使用由NSF直接支持的Open Science Grid之外，研究人员还使用了布鲁克海文实验室科学数据与计算设施以及国家能源研究科学计算中心（NERSC，DOE设在劳伦斯伯克利国家实验室的另一个科学办公室用户设施）的计算资源。