美国相对论重离子对撞机（RHIC）上的螺线管径迹探测器实验（STAR）近期在200 GeV金核-金核对撞中发现了底夸克偶素“顺次压低”的实验迹象。该成果以“STAR实验200GeV金核-金核碰撞中Υ粒子顺次压低测量（”Measurement of Sequential Υ Suppression in Au + Au Collisions at √sNN = 200 GeV with the STAR Experiment”）为题发表于《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 130 (2023) 112301，发表于2023年3月14日】。
RHIC上进行的高能重离子（重核）碰撞的首要物理目标之一是制造极高温环境（十万倍于太阳中心温度）以产生由夸克和胶子直接构成的新物态——夸克胶子等离子体（Quark-Gluon Plasma, QGP）并研究其性质。这种QGP物态曾在大爆炸之后10微秒的短暂时间内充满整个宇宙。
STAR实验测量的底夸克偶素(Υ(1S)，Υ(2S)和Υ(3S))都是由底夸克和反底夸克在强相互作用下组成的色中性束缚态，它们在真空中的尺度随束缚能变小而增大。在QGP中，强相互作用的德拜屏蔽效应改变了底夸克和反底夸克之间的相互作用势，使得弱束缚（大尺度）的底夸克偶素激发态更容易解除束缚而造成产额压低，这被称为“顺次熔解”或“顺次压低”（见图1）。由于各个态产额压低的程度对QGP的温度（决定了德拜屏蔽长度）非常敏感，因此这些态产额压低的测量也被称为QGP的“温度计”。
图 1：重离子碰撞中产生的底夸克偶素在夸克胶子等离子体中的“顺次熔解”示意图
由于这些粒子产额较少且本底较大，重离子碰撞实验中底夸克偶素的测量非常困难，需要专门的探测器对底夸克偶素进行触发和鉴别。工物系王义教授自2006年起在研制建造STAR飞行时间探测器基础上，深度参与了STAR缪子探测器(Muon Telescope Detector, MTD)升级项目的预研并主持了自然科学基金委重点国际合作项目“STAR 新型μ子探测器建造及相关物理研究”，创新性地采用具有高时间分辨率的多气隙阻性板室（MRPC）建造MTD，提高了双缪子信号的时间匹配精度，且可以通过飞行时间差来消除强子信号的本底干扰。他与中国科学技术大学合作，为STAR生产了120个大面积条形读出MRPC探测器，时间分辨达70ps，探测器效率高达98%，位置分辨优于1cm。图2a为STAR-MTD MRPC探测器结构，图2b为安装在STAR谱仪磁铁外面的MTD探测器模块照片。2014年MTD全部安装到STAR上（见图2c），并在2014和2016年采集了大统计量的200 GeV金核-金核碰撞数据。工物系朱相雷副教授和博士生黄欣杰在2012年完成了安装在STAR上的MTD原型探测器的首次完整刻度，黄欣杰负责了2013至2016年所有MTD探测器的刻度工作。2014-2015年取数期间，黄欣杰还负责MTD探测器运行和维护等工作。物理分析方面，黄欣杰利用2014年获取的MTD数据获得了STAR实验首个双缪子道的Υ压低实验结果，这也是他博士论文的主要内容。
图 2：(a) STAR-MTD MRPC结构图；(b) 安装在STAR谱仪磁铁外面的MTD探测器模块照片；(c) 完成MTD升级的STAR探测器示意图
该发表论文结合了2014和2016年采集的MTD数据得到了双缪子道Υ测量最终结果，又合并了2011年采集的量能器触发的双电子道Υ测量结果，得到了RHIC能区重离子碰撞实验中Υ产生的最精确实验结果。该结果显示出RHIC能区的重离子碰撞中存在底夸克偶素“顺次压低”的实验迹象（见图3），表明碰撞中产生的高温介质强烈压制了激发态Υ的产生。该测量对理解高温介质中的强相互作用性质以及提取QGP热力学参数提供了重要实验约束。该成果也是继反氦核发现【Nature, 473 (2011) 353】、奇异粒子探测QCD相结构之后，工物系团队的又一重大贡献。
图 3：STAR实验在200 GeV金核-金核碰撞中发现底夸克偶素“顺次压低”的实验迹象
STAR实验国际合作组由来自14个国家71个单位的七百多位科研人员组成。王义教授、朱相雷副教授和工物系博士毕业生黄欣杰是该STAR合作组论文的主要作者。相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划以及清华大学自主科研计划等经费支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.112301
