原子核是一个大小在百万亿分之一米尺度的量子体系，它提供在地面实验室里研究中子和质子等粒子相互作用的优良“场所”。粒子探测系统作为延伸我们视觉功能的“眼睛”帮助我们“看到”原子核发生碰撞时的细节。

清华大学物理系肖志刚老师带领实验核物理小组 (ENPG)经过多年的积累，建设了一套紧凑型重离子碰撞谱仪CSHINE (Compact Spectrometer for Heavy IoN Experiment)。在费米能区重离子碰撞实验中，CSHINE对轻粒子的小角关联测量能力达到了国际水平，同时该系统可以测量反应产生的重碎片，使得研究万亿亿分之一秒 (10^-20 s) 超快时间尺度上的重离子碰撞动力学成为可能。利用这套独特的系统，在首轮30MeV/u Ar+Au重离子反应中，成功为该反应体系拍摄了一个万亿亿分之一秒的“电影”，测到了质子的动力学发射时标约为100 fm/c (~0.3´10^-21s)，并确定了氕、氘和氚三种同位素的动力学发射次序，显示丰中子粒子更早出射。这些实验结果为同位旋自由度驰豫和对称能效应研究提供了新的可能，相关物理结果发表在粒子物理与核物理的一流国际期刊PLB (Physics Letter B)杂志上[1]。

CSHINE相关的探测技术也陆续在NST (Nuclear Science and Technology)[2] 和核仪器方法国际权威杂志NIMA (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research - section A)杂志上发表[3-4]。其中，NST杂志除了以封面文章介绍CSHINE之外，如图1所示，还帮助制作了CSHINE探测系统的推广视频科普读物[5]。

图1 NST封面文章介绍用于HBT粒子关联函数测量的CSHINE探测系统

首轮实验是在2018年完成的。实验中精细测量了小相对角度的两粒子符合事件，经过粒子鉴别后，找到两质子符合事件，通过统计在质子对质心系中的粒子动量q，构造质子对的关联函数谱1+R(q)。然后，根据质子间的相互作用、发射源尺寸和粒子发射时标，计算对应不同发射时标的关联函数理论曲线。最后，通过将实验数据与理论计算结果进行对比，得到质子的动力学发射时标约为100 fm/c（~0.3´10^-21s），如图2所示。

图2 质子-质子关联函数提取发射时标

当确定了质子的发射时标后，进一步如何确定“电影”中，粒子“演员”的平均“出场”顺序呢？这就要进一步用到速度区分的粒子关联函数技术，即通过生成不同粒子的实验室速度区分关联函数，来确定了粒子的发射次序。简单理解就是，如果假设氘核比质子先发射出来，那么当质子的速度较大时，质子就会追上氘核，产生比较强的关联效果，而当质子速度较小时，它们就会越来越远，最终的关联效果就弱。通过这种方法，我们得到的了氕、氘和氚的出射次序，确定了丰中子粒子出射更早的实验结论，这定量地证实了我们之前通过其他方法推测的结果，如图3所示。

进一步输运模型理论计算结果显示，同位旋依赖的粒子发射时标研究可能为研究对称能效应和确定核物质状态方程中对称能相关参数提供新的机会。

行百里者半九十。经过多年的积累，CSHINE探测器系统逐渐完善，随着使用该装置首个实验物理结果的发表，实现了给原子核拍摄万亿亿分之一秒“电影”的目标，为使用CSHINE开展费米能区重离子碰撞实验研究取得了良好开端。

该系列工作得到自然科学基金委，清华大学和兰州重离子加速器国家实验室开放基金资助。文章列表和全文链接如下：

[1] Y.J. Wang, et al., Phys. Lett. B, 825, 136856 (2022).

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2021.136856

[2] Y.J. Wang, et al., Nucl. Sci. Tech. 32 (2021) 1.

https://doi.org/10.1007/s41365-020-00842-2

[3] F. H. Guan et al., Nucl. Inst. Meth. A, 1011, 165592 (2021).

https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165592

[4] F. H. Guan et al., Nucl. Inst. Meth. A 1029, 166461 (2022)

https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.166461

[5] 科普视频文摘：

https://mp.weixin.qq.com/s/rchZ6VmSgEvoCaIXi8vzuA