华南师范大学教授叶早晨团队携手美国莱斯大学等科研人员，依托欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上的CMS国际合作实验，在相干高能光核相互作用领域取得关键进展——首次观测到ϕ矢量介子的产生过程。近日，相关成果发表于《物理评论快报》。

记者获悉，该研究为深入探索原子核深层结构、极致密条件下强相互作用的基本性质，以及搜寻量子色动力学（QCD）预言的“胶子饱和”现象提供了至关重要的实验依据。

在高能量条件或小动量分数x区域，原子核内部呈现出高度致密的胶子体系。胶子是强相互作用的媒介粒子，它如同“强力胶水”，将核物质的基本组成单元夸克紧密束缚在一起，主导着强相互作用的基本性质。随着x不断减小，胶子会通过级联劈裂过程迅速增殖，其密度持续攀升。

然而，QCD理论预言，这种增长并非无止境。当胶子密度达到足够高的水平时，非线性效应将开始显现，胶子之间会发生复合与重组，进而抑制新的劈裂过程。当胶子的产生与复合达到动态平衡时，体系便会进入一种全新的物理状态——“胶子饱和”态。研究这一极端状态，对于揭示高密度条件下强相互作用的内在规律，以及理解宇宙早期物质演化过程都具有极其重要的意义。

超周边重离子碰撞为研究这一现象提供了独特的实验条件。在此类碰撞中，两个原子核以大于其核半径两倍的距离擦肩而过，强子相互作用被有效抑制。近光速运动的重核产生的极强电磁场，可等效为准实光子束流。一个原子核发出的光子能够通过胶子交换与另一原子核整体发生相干相互作用，产生矢量介子而不破坏靶核的完整性。这一相干光致产生过程对核尺度上的胶子平均分布高度敏感，是探测小x区域核内胶子结构的重要实验手段。

在矢量介子家族中，ϕ介子具有独特地位。其质量约为1 GeV/c²，由一对奇异—反奇异夸克组成，其能标和空间尺度介于较轻的ρ介子与较重的J/ψ介子之间。ρ介子主要探测较大、非微扰的距离尺度，而J/ψ对应短距离区域，微扰QCD计算在该区域较为可靠。正是ϕ介子这种介于中间的尺度特性，使得相干ϕ介子光致产生成为研究QCD从微扰到非微扰机制过渡的关键桥梁，尤其适合用于探索极致密核环境中可能出现的胶子饱和效应。

研究团队通过深入分析LHC第三阶段（Run 3）铅-铅碰撞数据（核子-核子中心质心能量达5.36 TeV），首次清晰观测到重核上的相干ϕ介子光致产生。实验结果显示，测得的产生截面相比将原子核视为自由核子简单叠加的基准理论预期，表现出约五倍的显著抑制。这表明在极小动量分数区域（x ≈10^-4），核内胶子分布发生了强烈修正。值得注意的是，实验观测到的核抑制效应比当前考虑胶子饱和效应的最先进理论模型预测还要强约2-3倍，这揭示了在极高胶子密度条件下，胶子的集体行为可能涉及全新的物理机制。

该研究成果不仅极大地拓展了实验上研究核内胶子结构及极高密度下胶子饱和现象的物理图景，也为未来在LHC以及即将建成的电子—离子对撞机上开展相关精密测量提供了重要参考，有望推动高能物理领域取得更多突破性进展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/2ssw-wwyy