⚛️ nuclear experiments

Observation of partonic flow in proton-proton and proton-nucleus collisions

本文报告了在大型强子对撞机（LHC）的高多重数质子-质子和质子-铅碰撞中，首次观测到各向异性流中独特的重子-介子分组现象，为这些较小碰撞系统中存在与夸克-胶子等离子体一致的部分子流系统提供了强有力的证据。

原作者： ALICE Collaboration

发布于 2026-09-25

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原作者： ALICE Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在大爆炸发生后的最初时刻，宇宙并非由构成我们今天世界的固体原子组成。相反，它是一个由被称为夸克和胶子的基本粒子组成的、沸腾且超高温的“汤”。这些通常结合在一起形成质子和中子的粒子，当时在一种被称为夸克-胶子等离子体的物质状态中自由漂浮。随着宇宙冷却，这种等离子体凝固成了我们今天看到的强子。为了理解这一转变是如何发生的，科学家们通过让重原子核以接近光速的速度相互撞击，来重建这些极端的条件。当这些大规模的碰撞发生时，它们会创造出一个微小且转瞬即逝的这种原始等离子体滴。通过研究这些粒子如何从碰撞中飞出，研究人员可以了解等离子体的行为，特别是寻找粒子是以协调的、类流体的方式共同运动，而非随机散射的迹象。

几十年来，这种协调的运动（或称“流”）仅在涉及重离子的碰撞中被观察到，因为其庞大的粒子数量表明形成了一个巨大的、类液体的液滴。然而，近年来，科学家在更小的碰撞中发现了奇怪的相似性，例如单个质子与一个铅原子核之间的碰撞，甚至是两个质子之间的碰撞。这些微小的系统原本被认为不足以形成流体。问题变成了：这些微小的碰撞是否也创造了一个微小的夸克-胶子等离子体滴，还是说观察到的模式是由其他完全不同的原因引起的。大型强子对撞机中的 ALICE 合作组现在提供了迄今为止最清晰的证据，证明即使在这些最小的碰撞中，确实也形成了一种类流体状态的物质。

研究人员关注了高多重数事件，即产生出数量惊人的粒子数的碰撞，并将它们与产生较少粒子的低多重数事件进行了比较。他们分析了能量为 5.02 兆电子伏特（TeV）的质子与铅原子核的碰撞，以及能量为 13 兆电子伏特的两个质子的碰撞。为了理清这种混乱，他们将粒子分为两个主要家族：介子（由一对夸克组成）和重子（由三个夸克组成）。然后，他们测量了这些粒子在向外运动时的分布情况。在一个膨胀的流体中，较重的粒子在低速时的运动方式往往与较轻的粒子不同，研究团队证实，即使在这些微小的碰撞中也能看到这种模式。

最显著的发现出现在他们观察中等速度运动的粒子时。在这个范围内，团队发现重子和介子的行为出现了明显的差异。重子的协调流动比介子更强。这种特定的分组是系统的一个特征，即粒子是由流动的夸克组合而成的。想象一下人群在协调地波动前进；如果波浪是由个体组成的，那么由三个人共同移动形成的群体，其行为会与由两个人组成的群体不同。同样，由于三夸克重子和两夸克介子在这些速度下表现出不同的流动模式，这表明流动发生在粒子结合形成我们探测到的粒子之前的个体夸克层面。

为了证实这一解释，团队将他们的测量结果与复杂的计算机模型进行了对比。其中一个模型包含了流动夸克-胶子等离子体物理过程，以及随后夸克结合成粒子的过程，该模型成功地重现了观察到的模式。该模型同时匹配了质子-铅碰撞和质子-质子碰撞的数据。相比之下，其他试图在没有流体相的情况下解释结果，或依赖于诸如“弦”式相互作用等不同机制的模型，都未能捕捉到这种介子与重子之间的特定分离。这些替代模型无法解释为什么三夸克粒子在这些速度下的流动比两夸克粒子更强。

该研究还解决了以往在测量这些效应时存在的不确定性。早期在寻找这些微小系统中模式的尝试，常被来自无关粒子相互作用的“噪声”所干扰。ALICE 团队使用了一种改进的技术来过滤掉这些噪声，确保他们测量的信号真正来自于系统的集体运动。通过仔细区分真实的流动与背景效应，他们能够证明重子-介子分组是一个稳健的特征，在两类小型碰撞中都以高统计确定性出现。

这项工作表明，夸克-胶子等离子体的形成并不局限于重离子的巨大碰撞。即使是在质子之间最微小的碰撞中，只要在微小的空间内注入足够的能量，就可以形成并膨胀一个微小的这种原始流体滴。研究结果表明，从自由夸克流体到固体物质的转变是高能碰撞的一个基本属性，无论碰撞物的大小如何，只要条件合适，这种现象就会发生。这些结果有力地证明了，管理早期宇宙行为的定律同样适用于今天实验室中正在发生的微观、高速碰撞。

技术摘要：质子–质子与质子–核碰撞中部分子流的观测

问题与背景
量子色动力学（QCD）预测，在高能量密度下，物质会经历从强子物质到去禁闭态（即夸克–胶子等离子体，QGP）的相变。这种状态传统上是在超相对论性重离子碰撞中产生的。QGP形成的一个关键特征是各向异性流，特别是中等横向动量（ $p_T$ ）下，重子与介子的椭圆流（ $v_2$ ）系数呈现出独特的分组现象。在重离子碰撞中，这一现象被解释为强子通过集体流动的部分子介质进行夸克并合（coalescence）而形成的证据。

然而，在较小的碰撞系统（质子–质子和质子–原子核）中观察到类似QGP的特征（如长程方位角相关性和质量依赖的 $v_2$ ），引发了关于这些环境中是否形成了QGP的争论。以往对小系统的测量在重子–介子 $v_2$ 分裂方面得出的结果具有歧义性。一些研究未能观察到清晰的分组，这可能是由于难以将集体流与“非流”（来自共振态衰变和喷注的相关性）效应区分开，或者是由于使用的减除方法可能高估了非流贡献。本研究旨在解决的核心问题是：在大型强子对撞机（LHC）的高多重度（HM）质子–铅（p–Pb）和质子–质子（pp）碰撞中产生的系统，是否经历了一个类似于重离子碰撞中所观察到的流体动力学流动部分子的阶段。

方法论
ALICE 协作组分析了 LHC 第二运行周期（2016–2018年）期间收集的 $\sqrt{s} = 13$ TeV pp 碰撞和 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV p–Pb 碰撞的数据。

事件选择： 事件被分为高多重度（HM）和低多重度（LM）类别。HM 事件基于 V0 检测器振幅分布的前 0.07% (pp) 或 0–20% (p–Pb)，并额外要求在中间快度（ $|\eta| < 0.8$ ）处的重建带电粒子数（ $N_{ch}$ ）满足一定条件，以确保两个系统之间的平均多重度（ $\langle N_{ch} \rangle \approx 35$ ）具有可比性。
粒子识别： 鉴定的强子包括介子（ $\pi^\pm, K^\pm, K^0_S$ ）和重子（ $p+\bar{p}, \Lambda+\bar{\Lambda}$ ）。通过使用时间投影室（TPC）中的特定能量损失（$dE/dx$）和飞行时间（TOF）信息，并采用贝叶斯方法来确保高纯度。
流测量： 使用两粒子相关（2PC）方法测量椭圆流系数 $v_2$ 。为了抑制非流效应，在触发粒子（位于中间快度的鉴别强子）与参考粒子（位于前向/后向快度区域）之间实施了较大的伪快度间隔（ $|\Delta\eta| > 1.1$ ）。
非流抑制： 采用了模板拟合法来提取流信号。假设包含主要非流效应的 LM 事件相关函数被用作模板，来拟合 HM 相关函数。这种方法将残余非流贡献降低至低 $p_T$ 时约为 6%，在高 $p_T$ 时小于 1%。
理论比较： 将结果与 Hydro-Coal-Frag 混合模型进行比较，该模型结合了粘性流体动力学（用于低 $p_T$ ）、夸克并合（用于中等 $p_T$ ）以及带有碎裂过程的线性玻尔兹曼输运（用于高 $p_T$ ）。此外，还考虑了其他替代模型，包括不含并合过程的 Hydro-Frag、AMPT 以及 PYTHIA 8 的变体。

关键结果

重子–介子分组： 在高多重度 p–Pb 和 pp 碰撞中，均观察到了在中等 $p_T$ （ $3.0 < p_T < 8.0$ GeV/c）下的清晰 $v_2$ 分离。重子（ $p+\bar{p}, \Lambda+\bar{\Lambda}$ ）的 $v_2$ 值显著大于介子（ $\pi^\pm, K^\pm, K^0_S$ ），差异约为 $5\sigma$ 。在各自的类别内，重子和介子在 $1\sigma$ 范围内聚集在一起。
质量排序与交叉： 在低 $p_T$ （ $p_T < 2.0$ GeV/c）时，观察到 $v_2$ 的质量排序（较重的粒子具有较低的 $v_2$ ），这与径向流一致。在 $p_T \approx 2.0\text{--}3.0$ GeV/c 附近， $v_2$ 曲线发生交叉，从质量排序过渡到重子–介子分裂模式。
系统相似性： 小系统中 $v_2$ 分组的量级和 $p_T$ 依赖性与在半中心 Pb–Pb 碰撞中观察到的情况在定性上是相似的，尽管在较小的系统中 $v_2$ 的绝对量级较小。
模型比较：
- Hydro-Coal-Frag 模型（包含随后的夸克并合强子化过程）成功重现了 p–Pb 和 pp 碰撞数据中观察到的重子–介子分组与分裂，其适用范围高达 $p_T \approx 6\text{--}8$ GeV/c。
- Hydro-Frag 模型（不含并合过程）无法重现这种分裂，它低估了中等 $p_T$ 下的 $v_2$ ，并仅表现出质量排序或反向排序。
- 其他模型，如 AMPT（弦熔融）和带有弦挤压（string shoving）的 PYTHIA 8，要么无法产生观察到的分裂，要么产生了与数据不符的负流系数。

意义与主张
本文主张，在高多重度 pp 和 p–Pb 碰撞中观察到的独特重子–介子 $v_2$ 分组，为这些小碰撞系统形成了具有流体动力学流动的部分子系统提供了证据。结果表明，由夸克并合驱动的强子形成机制（即存在部分子相）在这些高多重度的小系统中同样活跃，这与重离子碰撞中形成的 QGP 相似。

作者强调，以往小系统测量中的差异很可能是由于非流减除技术不足造成的。通过利用稳健的模板拟合法和较大的 $|\Delta\eta|$ 间隔，本分析分离出了集体流信号，揭示了一种与部分子集体性一致的模式。由 Hydro-Coal-Frag 模型对数据的成功描述，以及缺乏夸克并合或部分子流的模型之所以失败，支持了以下解释：即使在 LHC 的高多重度质子–质子和质子–原子核碰撞中，也形成了去禁闭的、集体流动的介质。

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