Evidence of nuclear geometry-driven anisotropic flow in OO and Ne$-$Ne collisions at $\mathbf{\sqrt{{\textit s}_{\rm\mathbf {NN}}}}$ = 5.36 TeV

在宇宙诞生之初，即大爆炸后的最初时刻，物质以一种与我们今天所见的完全不同的状态存在。它是一种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”，这些粒子通常结合在一起形成质子和中子。物理学家将这种状态称为夸克-胶子等离子体。为了理解这种原始之汤的行为方式，科学家们将重原子核以接近光速的速度撞击在一起，为转瞬即逝的瞬间重现这些极端条件。当这些碰撞发生时，粒子会以特定的模式飞出。如果粒子以协调的方式共同运动，像液体一样流动，而不是像台球一样互相弹开，这就表明产生了一个微小的等离子体液滴。这种协调运动被称为“流”（flow），它是证明这些碰撞中产生的物质表现得像一种近乎完美流体的最有力证据之一。

几十年来，研究人员一直专注于将现有的最重的原子（如铅或金）撞击在一起，以创造尽可能大的等离子体液滴。然而，一个悬而未决的问题仍然存在：这种流体是否也能在涉及较轻原子的更小规模碰撞中形成？如果液滴太小，它可能没有足够的时间或空间来发展出这种类流体行为。为了回答这个问题，科学家们转向了两种特定的轻原子：氧和氖。虽然两者都很小，但它们的内部形状不同。氧原子以特定的、刚性的几何模式排列，而氖原子的形状则有点像一个保龄球瓶。通过让这些原子进行自碰撞，研究人员可以测试起始原子的特定形状是否会在最终的粒子流中留下“指纹”，从而证明即使在这些微小的系统中，物质也是集体行为的。

大型强子对撞机中的 ALICE 实验合作组最近对氧和氖核碰撞中的这一现象进行了首次测量。他们收集了数十亿次氧-氧碰撞和数亿次氖-氖碰撞的数据，所有这些碰撞的每对核中心-质心能量均为 5.36 TeV。团队专注于测量碰撞后粒子在不同方向上的扩散情况。他们寻找两种特定的模式：椭圆流（即粒子倾向于以椭圆形运动）和三角形流（即粒子以三角星形状运动）。这些模式并非随机产生的；它们是由碰撞瞬间重叠原子核的初始形状驱动的。如果起始原子形状像一个保龄球瓶，那么产生的流体也会以反映该瓶形的方式进行膨胀。

结果显示了这种集体行为的清晰信号。在氧和氖的碰撞中，粒子都表现出了预期的椭圆流和三角形流。至关重要的是，流的强度取决于碰撞的中心度——这意味着两个原子核相互撞击的直接程度。在最直接的中心碰撞中，氖-氖碰撞产生的椭圆流比氧-氧碰撞更强。这一差异与两种原子的已知形状完美吻合。由于氖具有比更紧凑的氧更显著的拉长形状，在氖碰撞中产生的流体会沿着那个方向更强烈地膨胀。这一观察结果证实，即使在这些极小的系统中，初始几何形状也会驱动流体，且初始几何形状是流动的驱动力。

为了验证这些发现，研究人员将他们的测量结果与包含了氧和氖原子详细内部结构的复杂计算机模拟进行了对比。这些模型源自先进的核物理理论，预测氧原子具有四面体排列的内部结构，而氖原子则形成类似于保龄球瓶的结构。这些将碰撞视为流体动力学膨胀过程的模拟，与实验数据匹配得非常好。这种匹配如此精确，甚至超过了以往对重核的研究精度。这种匹配表明，在这些轻离子碰撞中产生的物质确实是受流体力学定律支配的流体，并直接响应碰撞原子的几何形状。

研究还揭示了由原子内部粒子排列的随机涨落引起的三角形流，其行为与椭圆流有所不同。在中心碰撞中，氖的三角形流比氧的弱，模拟实验也捕捉到了这一结果。这种差异突显了氧原子的独特内部结构，它在初始碰撞区产生了更大的三角形畸变。通过直接比较这两个系统，研究人员能够抵消掉通常使这些测量变得复杂的许多干扰因素，从而分离出核形状本身的影响。

这些发现提供了强有力的证据，证明只要碰撞能量足够高，夸克-胶子等离子体可以在比此前认为的更小的系统中形成。由于流模式对氧和氖的具体形状如此敏感，事实表明这些碰撞提供了一种研究原子核结构的新型、强大的方式。科学家们现在不再仅仅是在低能下观察原子核的行为，而是可以使用高能碰撞来“成像”其内部粒子的排列。数据证实，初始几何形状是流动的首要驱动力，并且产生的物质表现为一种近乎完美的流体。这项工作弥合了研究重离子与较小系统之间的鸿沟，表明集体流体行为的出现是量子色动力学（描述维持物质结合的强力的理论）的一个稳健特征。