从黄金离子碰撞中产生的轻核分析为我们提供了对原始物质相变的洞察。

在美国能源部办公室的科学用户设施，即位于布鲁克黑文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）上，物理学家正在分析金离子碰撞的数据，他们正在寻找证据来确定核物质在不同相之间发生变化的所谓临界点。

在《物理评论快报》期刊上发表的由RHIC的STAR合作组获得的最新研究成果暗示着，预测在碰撞事件中产生多少个轻核的计算或许可以帮助勾画出核相变路线图上的那个关键点。关于世界的构成的根本问题，关键点的证明，即核物质从一相转变为另一相的方式发生变化的点，是得到答案的关键。

“你可以把核物质相图想象成一座桥梁，连接着过去的宇宙大爆炸和早期宇宙，以及我们今天所熟知的可见物质，甚至中子星。”来自华中师范大学（CCNU）的RHIC的STAR合作组成员罗晓峰说道，他带领一群学生进行这项分析。“这在科学上以及对我们自身起源的人类理解上都具有重要意义。”

临界点搜索小队

RHIC的碰撞重新创造了14亿年前宇宙大爆炸之后的短暂瞬间存在的一个炽热而密集的物质状态。这种物质被称为夸克胶子等离子体（QGP），它是由“自由”夸克和胶子组成的浓汤，而夸克和胶子则是构成原子核的质子和中子的基本组成部分。在不同能量下碰撞重离子，RHIC的物理学家通过研究碰撞如何产生这种原始浓汤以及它如何过渡回普通核物质。

为了寻找临界点的迹象——即从强子-胶子等离子体(QGP)向普通物质转变的方式从平滑的交叉过渡（就像黄油在温暖的日子里逐渐融化时两个相共存）变为突然的转变（就像水突然沸腾）——科学家们会寻找测量碰撞中所得数据中的波动。

前一项研究发现一些令人陶醉的迹象，这些迹象符合科学家对于临界点周围波动的预期，这些迹象是通过观察各种碰撞能量下产生的净质子数量来获得的。质子是由三个夸克组成的，当量子色动力学凝聚物（QGP）冷却时，质子开始形成，并且可以作为整体重子密度（重子是由三个夸克组成的所有粒子，其中包括中子）的替代指标。

科学家们预计，随着物质的强子密度增加，质子和中子更有可能聚集在一起，形成轻型的原子核，当混合夸克-胶子等离子体达到“冻结”状态的时候。因此，在这项研究中，他们试图跟踪一种被称为三重质子核（由一个质子和两个中子组成）的产量。观察到三重质子核产生中的波动模式可能有助于他们锁定临界点。

正如之前的研究一样，数据是由被称为STAR的粒子探测器在RHIC的Solenoidal Tracker上收集的，该探测器在束能扫描（BES-I）的第一阶段期间记录了不同能量和温度下的碰撞快照，捕捉到了流出的粒子数量和类型的变化。这项新分析以布鲁克黑文实验室物理学家Zhangbu Xu及其同事于2017年发表的一篇论文为基础，该论文预测了轻核素（如氚）的产额比应该与临界点相关联。

“这些轻核的形成需要一定的重子密度。”来自RHIC的STAR合作组织成员、华中师范大学的博士生张鼎玮说道。“如果系统接近临界点，重子密度将产生很大的波动。因此，我们希望通过这个分析来观察这些波动，以此确定临界点。”

在大多数碰撞能量的数据分析中，与理论家对新核如何通过凝聚过程中的质子和中子相结合的模型相符合。但在19.6十亿电子伏特（GeV）和27GeV的两个能量点，数据超出了模型预测的基线，暗示了那些引人注目的波动。

这些观点的汇集具备一定的意义，然而仍然未达到声称物理学上的新发现所需的水平。

“我们希望这个分析能够捕捉到关键的点。”罗说道。“看到这些离群值，我们感到非常高兴，这无疑是令人鼓舞的。最终，如果关键点确实存在于我们涵盖的能量范围内，所有这些可观测量都应该给出一致的信号。”

研究人员期待着看到对大量额外碰撞数据的分析将展示出什么。2021年，STAR合作团队成功完成了束能扫描（BES II）的第二阶段，该阶段捕捉到了在不同RHIC能量下的黄金碰撞瞬间，包括最低能量3 GeV。

“我们希望BES II的数据能够帮助我们提高对关键点信号的敏感性，”罗说道。“通过更高的统计量，我们也许能够达到宣称一项发现所需的显著水平。而那将是一个重要的突破。”