近日，国际大型重离子实验STAR合作组在强相互作用物质基本性质研究方面取得重要进展。华中师范大学与美国肯特州立大学、布鲁克海文国家实验室、中国科学技术大学等单位合作，利用美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）的高能核碰撞实验数据，对一个长期以来的基础物理问题——“重子数究竟由夸克还是胶子携带？”——进行了实验研究。结果为重子数主要通过特殊的Y形“胶子结”（gluon junction，也称baryon junction）结构进行携带和输运提供了重要实验证据。

相关研究成果以 “Tracking the baryon number with nuclear collisions” 为题，于2026年8月14日凌晨发表在《科学》杂志上。华中师范大学物理科学与技术学院罗晓峰教授及其博士研究生刘慧（现任湖州师范大学教师）是该项工作的主要贡献者之一。

图为重子数的载体与输运机制。

左图：重子数两种可能载体的示意图

（上：价夸克；下：重子结，baryon junction）。

右图：在高能碰撞中，重子数从束流快度（y=Y_beam）向中心快度区域输运的示意图，其中重子数分别由价夸克（上）或重子结（下）携带。未被阻停的价夸克（黑色实心圆）可以在束流快度附近形成介子。空心圆表示碰撞中新产生的夸克和反夸克。

重子数由谁携带？

质子和中子是构成原子核以及宇宙中可见物质的基本粒子。在传统的朴素夸克模型中，一个质子或中子的重子数为1，通常认为这一重子数平均分配给内部的三个价夸克，即每个价夸克携带1/3的重子数。然而，量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）告诉我们，真实的质子内部结构远比三个价夸克复杂。除了价夸克之外，质子内部还存在大量不断产生和湮灭的海夸克以及负责传递强相互作用的胶子。早在20世纪70年代，理论物理学家就提出，三个价夸克可能通过一种特殊的Y形胶子拓扑结构连接起来，即所谓的“重子结”或“胶子结”。1996年，理论研究进一步提出：真正标记和携带重子数的可能不是三个价夸克本身，而是连接它们的这种胶子拓扑结构。 但长期以来，如何在实验上区分这两种图像一直是一个极具挑战性的问题。

利用同质异位素核碰撞“追踪”重子数

STAR合作组此次采用了一种创新的实验策略。研究人员分析了RHIC上每核子对质心能量为200 GeV的钌-96（Ru+Ru）和锆-96（Zr+Zr）同质异位素核碰撞数据。Ru和Zr具有相同的质量数，但质子数不同，因此具有不同的电荷，而总的重子数相同。这种独特性质使科学家能够将电荷输运和重子数输运进行直接比较。

价夸克同时携带电荷和重子数。如果重子数完全随价夸克一起运动，那么核碰撞过程中重子数和电荷的输运应该呈现较为紧密的对应关系。实验结果却发现，在碰撞中心快度区观测到的重子数输运明显强于由电荷输运所推断出的价夸克输运。这一结果意味着，实验中观测到的重子数并不能简单由被“阻停”的价夸克来解释。STAR合作组进一步研究了光子与金核作用产生的光致核反应。在这类反应中，入射光子本身不携带重子数，因此为研究重子数如何从入射原子核远距离输运到中快度区域提供了更加干净的实验环境。实验测得的净质子随快度的变化规律同样与包含重子结机制的理论预期相符。两类相互独立的实验观测相互印证，为重子数可能主要由胶子形成的Y形拓扑结构携带和输运这一物理图像提供了有力支持。

华中师大团队

为净重子数重建提供重要实验基础

在这项研究中，如何准确获得实验中的“重子数”是关键环节之一。STAR探测器能够高精度测量带电的质子和反质子，但中子和反中子不带电，难以在STAR中央探测器中直接测量。而中子在碰撞产生的重子中占有相当大的比例，因此，要实现精确的重子数测量，必须可靠地确定中子和反中子的产额。为解决这一问题，STAR合作组利用Ru+Ru和Zr+Zr碰撞中测得的质子、反质子以及氘核和反氘核产生信息，结合轻核聚合关系和强子弱衰变贡献，对中子和反中子产额进行重建。论文明确利用实验测量的反氘核与氘核产额比来约束初生中子和反中子的产生，从而实现对中快度净重子数的可靠估算。

刘慧博士在华中师范大学攻读博士学位期间，在罗晓峰教授指导下长期开展RHIC-STAR实验轻核产生研究，并完成了200 GeV Ru+Ru和Zr+Zr同质异位素碰撞中质子、氘核及其他轻核产生的系统测量。相关氘核和反氘核测量结果为此次工作中中子、反中子以及净重子数的重建提供了重要实验输入。

刘慧博士毕业后继续从事相对论重离子碰撞和QCD物质相关研究，目前任职于湖州师范大学，并继续作为STAR合作组成员开展相关科研工作。

深化对强相互作用

和物质基本结构的认识

重子数守恒是粒子物理中最基本的规律之一。自宇宙早期形成物质以来，重子数在已知的低能过程和标准模型框架内表现出高度稳定性。质子的极端稳定以及由质子和中子构成的原子核能够长期存在，都与这一基本性质密切相关。

此次STAR实验结果表明，在描述质子和中子这样的重子时，仅仅把它们看成三个价夸克的简单组合可能是不完整的。连接夸克的胶子场及其非微扰拓扑结构可能参与定义和传递重子的基本量子数。 这一发现将人们对强子内部结构的认识从“夸克组成”进一步推进到“夸克—胶子整体拓扑结构”的层面，也为理解QCD非微扰性质、重子形成机制以及高能核碰撞中的重子数输运提供了新的实验依据。

RHIC-STAR实验国际合作组由来自14个国家79个单位的700余名位科研人员组成。该成果也是RHIC和STAR实验二十余年来研究强相互作用物质基本性质的重要成果之一。华中师范大学是STAR国际合作组的重要成员单位。近年来，物理科学与技术学院STAR实验团队围绕QCD相结构与临界点、高重子密度核物质、守恒荷涨落、轻核与超核产生、粒子关联及强子相互作用、奇异强子产生、集体流等前沿方向持续开展研究，并积极参与RHIC-STAR、LHC-ALICE/LHCb、FAIR-CBM、NICA-MPD等国际大型科学合作，在强相互作用物质性质和QCD相结构研究方面取得了一系列重要进展。该工作得到国家自然科学基金及科技部项目资助。

论文信息：

STAR Collaboration, Tracking the baryon number with nuclear collisions, Science (2026).

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads5962

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通讯员｜王　棣

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