近日，厦门大学天文学系韩烁冲、李昂与中国科学院近代物理研究所尚新乐等研究人员在核物质介质效应研究中取得重要进展。研究成果以“In-medium effects of nucleon-nucleon cross sections in heavy-ion collisions”（《重离子碰撞中核子-核子截面的介质效应》）为题，发表于权威期刊 Physical Review C。该工作首次系统区分了核子-核子散射截面在核物质中所受的三种介质修正来源，并定量评估了它们对重离子碰撞中关键观测量的不同影响，为精确理解极端条件下的核物质输运行为奠定了理论基础。

研究背景：介质环境中散射规则的改变

在核物理中，核子-核子散射截面是描述核子之间碰撞概率的关键物理量。在真空中，这一截面已通过散射实验得到精确约束。然而，在重离子碰撞所产生的高密度核物质环境中，周围其他核子的存在会显著改变散射过程——这一“介质效应”使得自由空间的散射截面不再适用。

输运模型（如BUU和QMD）作为模拟重离子碰撞的核心理论工具，包含两个基本输入：核平均场（描述核子感受到的平均势场）和介质中的核子-核子散射截面（描述核子之间的碰撞）。由于介质中的核子-核子截面无法直接通过实验测量，长期以来理论计算成为获取这一物理量的主要途径。但不同理论模型和近似处理之间的差异，导致对介质效应的理解仍存在较大不确定性。

更复杂的是，介质修正并非单一来源，而是来自多个物理机制的叠加。即便采用较为成熟的Brueckner–Hartree–Fock微观多体理论，核子-核子散射截面也同时依赖于三个基本因素：散射振幅（即有效 G 矩阵，承载了泡利阻塞和平均场势等修正）、态密度（受核子有效质量影响）以及碰撞对的总动量（K 依赖性）。这些因素之间的相互作用关系极为复杂，导致很难分辨出不同介质效应对实验观测量所施加影响的主导成分。然而，此前的研究往往将这些因素混为一谈，将它们各自贡献分离并定量厘清的工作至今仍属空白。这一空白，正是本研究试图填补的。

方法创新：区分三种介质修正来源

研究团队采用同位旋依赖的Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck输运模型，结合基于Brueckner–Hartree–Fock框架从第一性原理计算出的微观核子-核子散射截面，对一系列重离子碰撞关键观测量进行了系统性模拟分析，涵盖的观测量包括核阻止本领、中子/质子产额比、中子-质子横向流差异、微分集体流、π介子产额及其同位旋比值。

研究的核心创新在于系统区分了介质散射振幅、态密度效应和总动量依赖性三种介质修正来源对上述观测量的独立贡献，并针对每种来源进行了单独的敏感性分析。这一方法使得团队能够识别出每个观测量最敏感的介质修正因素，打破了以往“黑箱”式整体拟合的做法，从微观机制层面解释了介质效应的物理本质。

研究揭示了介质效应对不同重离子碰撞观测量的影响呈现高度选择性的特征：

核阻止本领高度敏感：系统研究发现，核阻止本领——衡量入射核能量在碰撞中被“耗散”程度的观测量——对介质修正的响应极为明显。当采用包含全套介质修正的微观截面时，核阻止本领显著减弱，标志着核子在碰撞中的制动效应减小。相反，若在模型中忽略态密度介质修正，则核阻止本领会被显著增强。这使得核阻止本领成为检验介质效应模型、约束微观截面预测的重要实验判据。特别值得注意的是，核子有效质量扮演了“压制者”的角色——有效质量越小，核子越难以被散射出反应区，核阻止本领越强。

中子-质子比与横向流差异对介质效应不敏感：与核阻止本领形成鲜明对比，中子/质子产额比和中子-质子横向流差异受介质效应的影响非常微弱。即使在显著增强的介质散射下，这两个敏感的同位旋探针依然保持稳定，散射振幅修正和总动量依赖性几乎不改变它们的行为。这一发现具有重要的方法论意义：中子/质子比和横向流差异是约束平均场对称势的理想观测量，因为它们几乎不依赖介质散射的细节。

微分集体流与π介子产额强烈依赖介质修正：微分集体流和π介子的产额对介质效应具有高度敏感性，其理论预测值与实际截面处理方法的选择密切相关。这意味着，对这些观测量的精确测量可以为介质散射振幅和总动量依赖性的理论研究提供重要约束。特别是对于区分不同介质修正模型而言，微分集体流和π介子是必不可少的关键观测量。

该研究的科学价值体现在多个层面：

首次解耦介质效应的多重来源。此前，介质散射振幅、态密度和总动量依赖性的贡献往往被笼统地归入“介质修正”一个标签之下。本研究首次将这些因素逐一分离，明确了各观测量对不同介质因素的敏感度差异，为后续理论研究提供了清晰的参考框架。

揭示了介质散射振幅和总动量依赖性的关键作用。传统观点常认为，介质效应主要源于有效质量变化导致的态密度修正。本研究则指出，仅靠有效质量不足以解释全部介质效应——散射振幅本身的介质修正以及碰撞对总动量的依赖性同样不可忽视。这一结果修正了过去部分简化模型中的近似假设。

提供了输运模型校准的实验指南。研究发现，不同观测量对不同介质因素的敏感性存在显著差异：核阻止本领是检验整体介质修正最敏感的“探测器”；中子/质子比和中子-质子横向流差异则可作为探测平均场对称势的“纯净”窗口，不受介质散射干扰；微分集体流与π介子产额则可用于甄别微观介质的散射机制细节。这一“分工图谱”为输运模型的精细校准提供了清晰的实验策略。

本研究对重离子碰撞实验与中子星理论研究均具有指导意义：

输运模型基准化。随着德国FAIR/CBM、俄罗斯NICA/MPD以及中国HIRFL-CSR外靶实验等新一代装置的运行，高精度重离子碰撞数据将不断涌现。本研究揭示的介质效应与观测量的对应关系，将为输运模型的基准化提供关键依据——后续研究可根据目标物理量（如约束对称能或研究介质散射）选择最合适的观测量组合。

中子星物理的微观基础。介质中的核子-核子散射截面不仅是重离子碰撞模拟的关键输入，也是中子星内部输运过程（如热传导、粘滞）的理论基础。本研究对介质效应的系统刻画，将为中子星物质输运性质的微观计算提供重要参考。

理论与实验的协同校准。本研究的定量结果揭示了核子有效质量在介质效应中的主导性压制作用，为今后在更宽能区、更多反应体系中开展联合贝叶斯分析提供了理论基础。理论模拟中有效质量的设定，直接决定了介质散射截面的预测精度，只有两者相互匹配，才能重现实验观测。

该工作由厦门大学天文学系韩烁冲与李昂，以及中国科学院近代物理研究所尚新乐、左维、雍高产合作完成。研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国科学院青年创新促进会项目的支持。欢迎关注https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MzU4ODM2NjQ5Ng==&action=getalbum&album_id=2454854141660528642#wechat_redirect了解更多近期相关研究工作（公众号：Nucl_Astrophys_xmu）。

论文信息：

Han S C, Shang X L, Zuo W, Yong G C, Li A. In-medium effects of nucleon-nucleon cross sections in heavy-ion collisions.

预印本链接：https://arxiv.org/abs/2507.23476