中科大STAR組在底夸克偶素測量方面取得重要進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)STAR組與美國布魯克海文國家實驗室等單位組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊在STAR國際合作組中發(fā)揮主導(dǎo)作用，精確測量了超高能原子核對撞中底夸克偶素的產(chǎn)生，并以此為探針研究了對撞產(chǎn)生的新物質(zhì)形態(tài)——夸克膠子等離子體的特性。該研究成果以“Measurement of sequential Upsilon suppression in Au+Au collisions at 200 GeV with the STAR experiment”為題發(fā)表在《Physical Review Letters》上（Phys. Rev. Lett. 130, 112301 – Published 14 March 2023）。

圖1：夸克膠子等離子體中的底夸克偶素

超高能原子核對撞的主要目標(biāo)是產(chǎn)生一種由夸克和膠子作為組分、強相互作用為主導(dǎo)的新物質(zhì)形態(tài)——夸克膠子等離子體，并研究其特性。人們相信宇宙在大爆炸約百萬分之一秒后處于這種形態(tài)。對夸克膠子等離子體的特性研究可以幫助人們深入理解強相互作用的本質(zhì)以及宇宙早期演化規(guī)律。

底夸克偶素(Upsilon)是由底夸克及其反夸克組成的束縛態(tài)，在超高能原子核碰撞中其產(chǎn)額與強相互作用的德拜屏蔽效應(yīng)密切相關(guān)，是夸克膠子等離子體的幾個理想探針之一。由于它的產(chǎn)生概率非常低，實驗測量難度極大，依靠STAR實驗原有的探測器難以實現(xiàn)精確測量。針對該物理目標(biāo)，中國科大STAR組自2005年開始為STAR研制大面積繆子探測器，2011年啟動探測器批量制作，2014年完成制作并全部安裝至STAR實驗中。該探測器在2014年與2016年采集了大量金核-金核對撞數(shù)據(jù)。中科大STAR組與其他單位合作，深入分析這些數(shù)據(jù)，完成了千億電子伏特對撞能區(qū)底夸克偶素基態(tài)及其激發(fā)態(tài)產(chǎn)額的最精確測量，并在該能區(qū)首次觀測到底夸克偶素“順次壓低”現(xiàn)象（具有不同束縛能的粒子被夸克膠子等離子體“熔解”的程度不同）。結(jié)果表明這一能區(qū)的金核-金核對撞中產(chǎn)生了夸克膠子等離子體，并且其達(dá)到的溫度足以熔解底夸克偶素激發(fā)態(tài)。

圖2：STAR實驗及繆子探測器

中科大STAR組孫勇杰副教授等在近十年的探測器研制過程中發(fā)揮了核心作用。在物理分析方面，唐澤波教授、查王妹副教授、王鵬飛同學(xué)等發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為該STAR合作組文章的主要作者。王鵬飛的博士學(xué)位論文工作是該文章的核心組成部分。