共振衰变核子形成氘核与反氘核的实验观测——ALICE合作组揭示超相对论强子碰撞中轻核合成新机制

ALICE合作组通过分析质子-质子碰撞中的π-氘核动量关联函数，首次提供模型无关证据表明约90%的观测（反）氘核产生于短寿命共振态（如Δ(1232)）衰变后的核反应过程。该研究解决了超相对论强子碰撞中核合成机制的关键难题，为宇宙射线中轻重核产生及暗物质衰变模型的构建提供了实验依据。

在极端高温的强子对撞环境中，如何解释结合能仅2.23 MeV的氘核能够从能量高出两个数量级的碰撞中“幸存”而出，一直是核物理领域的未解之谜。当碰撞温度高达100 MeV（相当于太阳核心温度的10万倍）时，这些脆弱核子的形成机制挑战着我们对物质基本行为的认知。欧洲核子研究中心ALICE合作组在《Nature》发表的最新研究，通过精密的π-氘核关联测量技术，揭示了短寿命共振态在轻核合成中的主导作用，为理解宇宙射线成分起源和暗物质探测提供了关键实验支撑。

研究团队利用大型强子对撞机（LHC）在√s=13 TeV质子-质子碰撞实验中采集的高多重数样本，通过ALICE探测器的内径迹系统（ITS）、时间投影室（TPC）和时间飞行（TOF）探测器，实现了π^±和（反）氘核的精确识别（纯度分别达99%和100%）。关键技术包括：1）基于关联函数C(k)=N_same(k)/N_mixed(k*)的动量关联分析；2）采用CATS（Correlation Analysis Tool using the Schrödinger equation）框架描述最终态相互作用；3）通过共振源模型（RSM）重构粒子发射源；4）结合EPOS3事件生成器和聚结后燃烧器（coalescence afterburner）进行模拟验证。

共振态与关联函数

通过比较三种氘核产生情景的模拟结果发现：当氘核由Δ共振态衰变产生的核子通过聚结形成时，π-d关联函数在k*≈240 MeV·c^-1处呈现显著峰值，该特征与直接热产生或纯库仑相互作用场景存在明显差异。Δ共振态作为核子的短寿命激发态（寿命约1.5 fm·c^-1），在LHC的pp碰撞中贡献了43%的核子产额。

实验π-d关联函数分析

实测数据显示π^--d关联函数在k=211 MeV·c^-1处存在增强峰，而π⁺-d在相同区域呈现凹陷。通过包含Δ共振谱形（经重散射效应修正）、库仑相互作用和背景项的拟合模型，实验数据与共振衰变聚结假设高度吻合（χ²/ndf=14/15）。Δ峰位向低k方向的偏移（相对于理论值237 MeV·c^-1）与π-p测量中观察到的共振再生效应一致。

氘核产额定量解析

通过积分Δ共振峰并扣除本底，计算出60.6±4.1%的氘核来源于Δ共振衰变过程。考虑探测器接收度修正后，该比例升至68.7±4.6%。基于CSM（canonical statistical model）模型预测的共振态比例（77.3±1.2%），推得所有强子共振态对氘核产生的总贡献达88.9±6.3%，证实共振辅助核合成是轻核形成的主导机制。

讨论与展望

研究首次通过模型无关方式证实（反）氘核主要形成于共振态衰变后的次级结合过程，而非与其他强子同时产生的直接发射。Δ共振谱温度（约20 MeV）远低于强子化相的平均动能（约100 MeV），解释了氘核在高温环境中的高存活率。该发现为宇宙射线中重核成分的微观建模提供了实验基准，并将提升暗物质间接探测中反核子信号解读的可靠性。

研究同时排除了双夸克态（dibaryon）衰变对观测信号的显著贡献（<1%），进一步强化了共振辅助聚结机制的普适性。未来通过扩展测量至³He等更重核素，将有望构建完整的强子碰撞核合成图像。