1. 重离子碰撞中的 ( 反 ) 超核研究 马余刚 (ygma@sinap.ac.cn)ygma@sinap.ac.cn 中国科学院上海应用物理研究所 引言 RHIC-STAR 的超核测量 – 超氚核构建 – 寿命测量 – 奇异性因子 GSI 超核寿命测量实验简介 超核产生机制研究 关于 H 粒子寻找简介 结论与展望 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

2. 2 T.R. Saito, proposal, June 24th 2009 超子 与 超核 中子质子  - 超子 d- 夸克 u- 夸克 s- 夸克 普通核超核 AZAZ A: Total number of baryons Z: Total charge  : Hyperon Example: 7  Li ( 6 Li +  ) 9  Be( 7 Be +  )

3. 3 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 超核的发现： 1953 年， 两位波兰科学家从宇宙 射线中观测到 重离子中超核的重构： 不变质量谱 超核（ Hyper-nucleus ）

4. 4 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 The real developments of the study of hypernuclei came from the production of hypernuclei by using the kaon beams from accelerators. In 1974 the recoil-less (K-,π-) strangeness exchange reaction on nuclear target was proposed to produce hypernuclei. This has led to a large growth of research about the excited states of hypernucleiand their properties. Since then, hypernuclearphysics has become one of the most important frontier of nuclear physics. Later, associate production from the pion beam was used to produce hypernuclei.

5. 5 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

6. 6 超核 - 核素图

7. 7 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

8. 8 在超核内，超子相对于核子是可区分粒子，可以不服从泡里原理，所以超 子是原子核的 “ 味标记 ” 内部探针。 通过对超核的衰变研究，可以研究核介质中的弱相互作用。 带奇异性的介子和重子进入核内，可以明显影响核态方程，从而有助于研 究中子星、高温高密物质、核液气相变等一些感兴趣的现象。 超核寿命、结合能敏感于超子 - 核子相互作用。 研究超核的其他意义

9. 9 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Λ 超核： 最轻超核：超氚 最重超核： A=209 利用 Λ 超子可探知核芯的各 种变化。 例如： 7Li 超核： Λ 的出现使得与 核芯粘在一起让 6Li 核芯变 得稳定了！ Λ 与核的耦合将改变形变核 的转动惯量并对转动带结 构产生影响； 影响通常的裂变过程和形 状（同核异能素）； 影响巨共振特征； Λ 出现导致原子核的收缩， 增加核芯的库伦能 加入 Λ 升高了粒子发射的阈 能，使得地连续态对粒子 衰变稳定。 双 Λ 超核与 Ξ 超核（ S=-2 ）： 6 He ， 10 Be ， 13 B, 4 H 从双 Λ 超核实验提取 ΛΛ 二体相互作用一直在进行 理论上：手征夸克模型，手征幺正方法等，但显示出很 强的模型相关性。 弄清 ΛΛ 作用，对 H 粒子的寻找具有重要意义。 Λ 超核的特性与表现

10. 10 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

11. 11 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Hypernuclearfine structure For extracting spin-spin interaction For extracting spin-orbital interaction For extracting tensor interaction study Λ-N strong interaction

12. 12 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 超核也敏感于 QGP 相变 张松，陈金辉，马余刚等， Phys. Lett. B684(2010)224

13. 13 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

14. 14 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

15. 15 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Relativistic heavy-ion collisions initial stage pre-equilibrium QGP and hydrodynamic expansion hadronization and freeze-out  Initial condition of collisions  New state of matter : QGP  Hadronization and hadronic interaction RHIC creates hot and dense matter, containing dozens of hyperons in central events : ideal source of hypernuclei studies. RHIC white paper: Nucl. Phys. A 757

16. 16 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 STAR Detector TPC: effectively 3-D ionization camera with over 50 million pixels. STAR: a complex set of various detectors, a wide range of measurements and a broad coverage of different physics topics. STAR-TPC: NIMA 499 (2003) 659 STAR-detector: NIMA 499 (2003) 624

17. 17 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 17 TOF 的投入使用，大大拓展了 STAR 的物理能力！ ( , K) 的分辨从 ~0.6GeV/c  ~1.6 GeV/c, ( , K)-p 的分辨从 ~1.2GeV/c  3 GeV/c. 成功研制大型飞行时间探测器 (TOF) 、 极大提升了 STAR 探测器的粒子鉴别能力 TOF hardware: USTC & THU 极好的粒子分辨 (π,k,p,e) TOF 硬件：中科大 & 清华

18. 18 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Run10 7.7GeVMB~4M Run10 11.5GeVMB~11M Run11 19.6GeVMB~31M Run11 27GeVMB~49M Run10 39GeVMB~118M Run10 200GeVMB~223M Run10 200GeVCentral~199M Run7 200GeVMB~56M Datasets and event statistics Datasets and track selection Analysis method: secondary vertex finding technique Identify 3 He and  candidate Find the V0 position from daughters pairing Plot the invariant mass dis. of daughters Combinatorial background analysis

19. 19 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

20. 20 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Clean  ( 2GeV) identification from TPC

21. 21 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 发现首个反物质超核 第一个含有反奇异夸克的原子核：反超氚核 首次把核素图扩展了到了新的反奇异物质区域 Science 328 (2010) 58 “2010 年度中国科学十大进展 ” （上海应物所 - 通讯作者单位） 这是 RHIC 运行来的第一篇 Science 文章 图1图1 图2图2 Dr. J. H. Chen, 2012 APS George E. Valley 奖

22. 22 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 22 ALICE’s observation for (anti-)hypertriton 反超氚核 超氚核

23. 23 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 发现迄今观测到最重的反物质 ： 反氦 4 目前，丁肇中先生领导的 AMS2 正在太空中寻找反氦 4 RHIC 第一篇： Nature 473 (2011) 353 飞行时间探测器在发现反氦 4 中起重要作用； STAR 中国组在数据分析中起到主导作用 ; 在核素图上反物质轴上添加浓重一笔； 入选院年度《科学发展报告》－ 2011 年度中国 科学家有代表性的研究工作； 十亿事件 中，找到 18 个反氦 4. 飞行时间 探测器上 的反氦 4 2013 中科院优秀博士论文

24. 24 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 ALICE’s observation for anti-Helium 4

25. 25 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

26. 26 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

27. 27 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Measure the lifetime Measure the hypertriton signal in different L/βγ bins: 2-5-8-11-41cm Combined datasets: run10 7.7,11.5,39,200GeV MB, run10 200GeV central, run11 19.6, 27GeV MB STAR preliminary

28. 28 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 New hypertriton lifetime result ： puzzle ？ STAR preliminary 朱逾卉，上海应物所 博士论文 2013

29. 29 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

30. 30 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Beam Energy Dependence of s3 朱逾卉，上海应物所 博士论文 2013 AMPT: S. Zhang, J.H. Chen, YGM et al. Phys Lett B (2010)

31. 31 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Preliminary Results T. R. Saito et al., NPA (2012)

32. 32 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

33. 33 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Analysis with d+pion Calibrated mass: 2.054-2.064 GeV (n+  threshold = 2.055)

34. 34 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Summary of the observed peaks GSI

35. 35 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 相对论重离子碰撞中超核的产生机理： coalescence 我们用流体动力学 blast-wave 模型 +coalescence 机制，能很好描述 RHIC 数据

36. 36 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 相对论重离子碰撞中不同核的产额比： coalescence vs thermal model 薛亮，马余刚，陈金辉，张松： Phys. Rev. C85, 064912 (2012)

37. 37 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Central Au+Au Collision (0-5%) dn/dy @ mid-rapidity 超子的产生率

38. 38 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Searching for H states @ RHIC-STAR N. Sara (STAR) Nuclear Physics A 904–905 (2013) 443c 负的散射长度，可能意味着束缚的 H 不存在！

39. 39 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Searching for H & ΛN bound states @ LHC-ALICE ALICE: Nuclear Physics A 904–905 (2013) 547c 没有观测到信号！

40. 40 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 BELLE 的最新结果没有找到 H 粒子 BELLE reports the results of a high-statistics search for H dibaryon production in inclusive. No indication of an H dibaryon with a mass near the M_H=2m_lambda threshold is seen!

41. 41 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 A statistically improved lifetime ps is obtained. GSI preliminary results seem similar. But we need to understand why the lifetime is so short! The hypertriton and antihypertriton signals are reconstructed for each RHIC BES energy Over 600 hypertriton and antihypertriton particles are reconstructed in heavy-ion collisions at RHIC, with a significance of 9.6  Conclusion & Outlook The production mechanism of hypernucleus in HIC can be described by a coalescence model. Hypernuclei favors to be formed in heavier ion collision. CSR can contribute hypernuclear physics. EIC@HAIF can contribute to hypernuclear physics with electro-production e-hypernucleus  核内 s 夸克的分布函数？

42. 42 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 谢谢！

43. 43 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

44. 44 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 CSR 能区重离子碰撞中超核的产生 -coalescence 估算 张松，陈金辉，马余刚等， Chin. Phys. C 35, 741 (2011)

45. 45 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 The penalty factor （惩罚因子） λ quantitatively represents how hard it is to produce the next massive cluster (A +1) compared with the current cluster (A ). CSR 能区重离子碰撞中超核的产生的系统依赖性 越是重的系统，越有利于超核的产生！

46. 46 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27

47. 47 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Phase0 experiment: 2009-2012 Li6 beam at 2A GeV on C12 traget Phase 1, 2012-2018 at GSI proton rich hypernuclei Phase 2, 2018- at R3B/FAIR Neutron rich hypernuclei Phase0 experiment setup

48. 48 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Phase0 experiment setup

49. 49 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 Systematic Study on Lifetime

50. 50 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 50 1. 2005 年底，美国 DOE 批准美方的 “ 桶型飞 行时间探测器 (TOF)” 升级计划，美方承担 电子学和集成  2006 年，由基金委、科技部和科学院联合 资助 1500 万开展 “ 飞行时间探测器 (TOF) 研制和强作用物理 ” 项目  2009 年研制完成由 4032 块 MRPC 组成 TOF 并安装运行  2011 年利用 TOF 首次发现反物质氦 4  2010 年开始进行缪子探测器 (MTD) 升级  2013 开始升级高阶触发器 (HLT) 的升级 13 个国家， 47 家单位， 500 合作者： 美国能源部投资的大科学装置； 2000 年开始运行 中方六家单位参与 马余刚作为 STAR 中国组负责人与美方签署 TOF 合作协议

51. 51 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 大型飞行时间探测器 proposal

52. 52 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 52 入选 “2010 年度中国科学十大进展 ” 1. 拓扑绝缘体研究取得重要进展； 2. 相对论重离子对撞机上发现首个反超核粒子－－反超氚核 ; 3. 揭示三氧化二砷和全反式维甲酸联合治疗急性早幼粒白血病的分子机制； 4. 中国发现１０万年前早期现代人化石； 5. 全基因组关联研究发现银屑病、白癜风和麻风易感基因； 6. 揭示水稻理想柱型形成的分子调控机制； 7. 大地电磁测量揭示青藏高原东部有两条地壳物质流； 8. 揭示蛋白质赖氨酸乙铣化在细胞代谢中的调控作用； 9. 基于超材料实现微波段三维隐身和电磁黑洞； 10. 实验实现最远距离自由空间量子隐形传态。

53. 53 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 发现迄今观测到最重的反物质 ： 反氦 4 目前，丁肇中先生领导的 AMS2 正在太空中寻找反氦 4 RHIC 的第一篇： Nature 473 (2011) 353 上海所 薛亮 2012 年博士论文 飞行时间探测器在发现反氦 4 中起重要作用； STAR 中国组在数据分析中起到主导作用 ; 在核素图上反物质轴上添加浓重一笔； 入选院年度《科学发展报告》－ 2011 年度中国科学家有代表 性的研究工作； 十亿事件中， 找到 18 个 反氦 4 飞行时间探 测器上的 反氦 4

54. 54 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 54

55. 55 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27 研究 YN 相互作用的目的： 了解相互作用本身的性质和动力学 有助于了解饱和超子的原子核（超核）的结构 有助于了解星体（特别是中子星）的结构。一般认为中子星内部深处存在奇异强子或奇异夸克物质。 目前实验数据及其缺乏。只有一些低能总截面和少数微分截面、很高能量下的 Λp 总截面，以及 Σ-p  ΛN 过程的极化 度和左右不对称性等。 YN 相互作用的理论模型： 主要由核子 - 核子 (NN) 相互作用模型推广，包括介子交换模型和夸克模型。 如 Nijmegen 和 Bonn-Julich 模型，都在玻色子交换模型基础上，交换玻色子有所 不同； Nijmegen: SU(3) 对称性， Bonn-Julich 模型： SU(6) 对称性； YN 的夸克模型，与 NN 相互作用的夸克模型的思想一样

56. 56 eIC 物理研讨会 @ 威海， 2013/7/27