围绕夸克物质信号及其性质以及粒子探测新技术，本年度研究中心在夸克物质理论、高能重离子碰撞实验、粒子物理与高能碰撞唯象学方面，以及硅像素及快电子学新技术研发上取得了重要进展及一批物理成果。具体如下：
一、高能核物理实验：
1．STAR课题组
（6名教师：刘峰、罗晓峰、李治明、施梳苏、王亚平、许怒，3名博士后，9名博士生）。
2020年度，课题组主要研究进展简述如下:
（1）STAR实验轻核产生的研究
我们完成了质子(p)以及轻核(d,t,helium3,helium4)产生的实验研究。利用STAR实验于2018年采集的固定靶 3 GeV金核-金核碰撞的数据，参与了质子和轻核产额的测量，计算了粒子的横动量谱，dN/dy, <pT>等基本信息，同时计算了轻核聚合模型参数以及粒子的产额比。比较发现3 GeV的实验结果与其他实验组的结果符合的很好，表现出合理的能量依赖。该测量为不仅为STAR能量扫描第一阶段的结果提供了低能量范围的参考，同时也是STAR低能量核核碰撞对轻核的首次测量，基于该数据低能和高统计量的原因，可以更细致的研究快度依赖性。目前该项工作处于工作组审核阶段。
利用聚合模型研究轻核的产生是目前对轻核研究的热门，聚合模型表示，轻核的形成概率只与体系的体积相关，通过计算结合参数B2和B3可以很好的反应碰撞体系冻结特性。该结果同样与其他实验组低能量的结果表现出很好的能量依赖。目前该项工作处在工作组审核阶段。
此前的研究发现轻核的产生携带着关于核子关联和密度涨落的信息，粒子的产额比能够很好地反映中子密度涨落，从而为高能重离子碰撞过程中的相变和临界点研究提供有效的参考。能量扫描第一阶段计算产额比的能量依赖发现在19.6和27GeV处有一个峰值，这一发现引起了广泛关注，3GeV的测量在低能很好的印证了该结果。目前该项工作处在工作组审核阶段。
（2）STAR实验重子重子关联的研究
我们首次测量了STAR实验中质子和奇异粒子之间的关联方程。此分析中利用STAR实验中200GeV金-金碰撞数据（采集于2010,2011和2014年），对质子与之间的相对动量差进行测量，计算其关联方程。结果首次显著发现在质子与之间存在相互吸引的强相互作用，相比于仅有库伦作用的情况下，测量结果在中心和边缘碰撞中都具有大于4的显著度。同时边缘/中心的关联方程比值也表现出明显的提升，在误差范围内符合HAL-Lattice强相互作用的理论预测。该测量不仅能为理论计算提供进一步的约束信息，同时也为研究双重子之间相互作用以及寻找可能的六夸克束缚态提供了新的实验依据。目前该项工作处于工作组审核阶段。
（3）STAR实验中间歇的研究
研究QCD相图并确定临界点的位置是高能重离子碰撞实验中主要的目标之一, RHIC/STAR合作组的实验覆盖QCD相图上较大的能量区域,而通过分析重离子金-金碰撞实验产生的数据，来测量重离子碰撞中的间歇现象，将进一步促进QCD临界点的研究。该项研究，通过系统地测量Au + Au 碰撞实验中标度指数随碰撞能量和中心度的依赖关系，为夸克胶子等离子体到强子物质的相变提供证据, 并希望测量到临界点在QCD相图上的位置。
我们利用STAR于2010-2017年采集的一期能量数据，其中金-金碰撞质心能量从7.7GeV到200 GeV。至今，基本完成了带电粒子的间歇结果，其中包括pion, kaon, proton以及它们的反粒子。在实验分析中，我们采用混合事件的方法扣除背景。同时，考虑到探测器效率的影响，我们对阶乘矩Fq(M)做效率修正。
理论预言，如果重离子碰撞系统中存在由相变产生的间歇，高阶阶乘矩Fq(M)和二阶阶乘矩F2(M)之间将满足严格的标度关系，目前的实验结果的确观察到该标度关系，如下图所示。
Au+Au 碰撞系统中，\sqrt{s_{NN}}= 19.6 GeV能量下的（q=3-6）标度关系
在间歇分析中，标度指数ν衡量各阶的 ，它独立于碰撞系统的热力学参数，能够表征碰撞系统的间歇，ν和碰撞系统能量的关系可能确定临界点在QCD相图上的的位置。
如下图所示，对于最中心0-5% 碰撞的系统，v随碰撞能量变化的关系显示为非单调行为，并且在质心碰撞能量 = 20-27 GeV 范围内达到最小值，预示着Au+Au碰撞系统的ν值20-27 GeV范围内发生特殊的变化，这有可能是临界点所引起的密度涨落起伏所导致。同时，该非单调行为在0-10% 中心度碰撞系统中减弱。然而，在10-40% 中心度碰撞系统中，ν值一直随着能量的减小而减小。如下图所示，从中心碰撞到半中心碰撞，v 值都一直增大，显示单调依赖的关系，说明v值的大小和碰撞系统的大小成反比。
Au+Au 碰撞中能量 \sqrt{s_{NN}}= 7.7-200 GeV下的ν值和能量的依赖关系
Au+Au 碰撞中能量=19.6, 27, 39,62.4，200 GeV下的ν值和中心度的依赖关系
（4） STAR实验净质子数涨落研究
在强相互作用物质相图研究中，守恒量的高阶涨落被认为是相图结构和相边界的敏感观测量。理论上预言四阶涨落会显示出非单调能量依赖，而更高阶的如五阶、六阶涨落的符号与相边界紧密相连。从第一性原理出发的格点QCD计算预测由于受到QCD一阶相边界的贡献，五阶六阶涨落为负值。STAR实验组在近十年中于RHIC重离子碰撞能量扫描中对守恒荷涨落进行系统测量，碰撞能量覆盖了从7.7 GeV至200 GeV,9个能量点。四阶涨落的实验测量结果显示出非单调能量依赖，具有3.1个显著性。这项工作发表在物理评论快报（Phys. Rev. Lett. 126, 092301）。小于20 GeV低能区域测量结果仍有较大误差，需要更多的实验数据来确定目前测量结果。
我们还对来自STAR固定靶实验3 GeV碰撞能量的实验数据进行净质子数高阶涨落测测量。固定靶实验3 GeV大约采集了1.4亿个无偏事件，由于STAR探测器接受度的限制，我们在快度-0.5<y<0的接受度下对净质子高阶涨落进行计算，结果如下图所示。
蓝色实心方块是来自固定靶3GeV的测量结果，这个实验结果可以被黄色十字的UrQMD输运模型计算的结果所描述，这里的输运模型并不含有临界或相边物理。这个结果可能表明在质心系能量为3GeV的固定靶实验中高阶涨落没有测量到来自临界点或者相边界的贡献，进一步说明在3 GeV可能没有夸克-胶子等离子体产生。目前这项工作正在撰写论文当中。
（5）STAR实验重味物理的研究
我们完成了200 GeV金金碰撞中DS粒子产生的测量并计算了DS粒子与D0粒子的产额比值。发现该比值相比于电子电子，质子质子和电子质子碰撞系统有明显的增强，该增强没有明显的横动量和碰撞中心度依赖。DS/D0比值的增强被认为来源于核核碰撞中增强的奇异夸克和热化的粲夸克发生聚合的强子化机制。不同聚合强子化模型的计算结果较好地描述了我们的测量，表明了聚合强子化机制在粲夸克的强子化过程中十分重要。该研究结果在国际学术会议HP2020上做报告，目前该文章已经投向《物理评论快报》，首轮审稿意见已返回，得到两位审稿人的正面评价。
我们完成了重味强子（B和D）半轻子道衰变产生的非光电子产生的实验研究。利用STAR实验于2012年采集的200 GeV质子-质子碰撞数据，参与了重味强子经半轻子道衰变产生的非光电子产额的测量，结果与STAR和PHENIX之前发表的结果相符，但测量精度显著提高了。同时，非光电子的不变微分截面与FONLL理论预言在不确定度范围内一致。该测量不仅能为理论计算提供进一步的约束信息，同时也为核-核碰撞中核修正因子的测量提供更加精确的基准。目前该项工作处于工作组审核阶段。
利用STAR/HFT探测器优异的位置分辨率，STAR实验第一次采用DCA方法分离B/D强子衰变产生的非光电子产额，并对其RAA和RCP开展了精确测量。结果首次显著发现来自于B强子衰变产生的非光电子（be）的RAA压低比来自于D强子的非光电子（ce）的要弱（经2检测，显著度在1倍的标准偏差水平）；同时也发现be与ce的RCP比值大于1（对于0-20%/40-80%情况下，大于4.5的显著度）。该结果表明了部分子在热密介质中能量损失对其质量的依赖性，这与理论预期相符（ΔE(b)<ΔE(c)）。测量结果与Duke和PHSD模型比较，在实验误差范围内是一致的。目前该项工作处在工作组审核阶段。该研究结果在HP2020等国际学术会议上做口头报告。
（6）STAR实验集体流的研究。
我们完成了固定靶实验质心系能量为3 GeV金核金核碰撞中鉴别粒子直接流（v1）和椭圆流（v2）的测量。直接流（v1）和椭圆流（v2）是描述粒子集体运动的关联和性质，他们都是产生于碰撞早期，敏感于系统的演化过程以及状态方程，是研究部分子层次性质的良好探针。并且过去研究表明，直接流（v1）和椭圆流（v2）的集体行为会在部分子相互作用主导的层次和强子相互作用的层次有很大的区别。鉴别粒子直接流在中心快度区域的斜率（dv1/dy）对强相互作用相图中的相边界较为敏感，理论预言，当系统中由强子态向夸克态相变时会导致粒子直接流斜率的最小值。下图展示了鉴别粒子直接流斜率dv1/dy和椭圆流（v2）在10-40%中心度下关于碰撞能量的依赖关系。我们发现在3 GeV金核金核碰撞中，所有粒子的直接流斜率都变为正值，并且当给强子输运模型（UrQMD）加上平均场后，其结果很好地描述了质子实验观测，可看图(a)。
这一结果表明从高能到3 GeV，系统状态方程的变化。我们也发现质子，介子，K介子和重子中心快度区域的椭圆流（v2）在3 GeV是为负值并且符合能量趋势同时加上平均场后强子输运模型（UrQMD）结果也与实验观测质子v2一致。可看下图(b)。这说明在质心系能量为3 GeV时候，旁观子对椭圆流（v2）在系统演化中有明显的遮蔽作用。
鉴别粒子椭圆流的组分夸克标度性常常被看作是系统产生了夸克胶子等离子自由度的标志。下图展示了鉴别粒子椭圆流组分夸克标度性在3，27，54.4 GeV下10-40%中心度的结果。不同颜色的虚线代表对其他碰撞能量的拟合结果。我们发现鉴别粒子椭圆流在27和54.4 GeV有很好的组分夸克标度性，但是在3 GeV这一标度性已经消失。这一现象表明，在3 GeV情况下，系统的状态方程以及动力学演化都与夸克胶子等离子体占主导的能量区间有很大的差别，不过还需要理论以及模型计算的证实。
以上结果已在美国物理协会核物理分会DNP 2020会议，和CPOD 2021会议上面报告。目前该已经完成数据分析过程，已经完成文章草稿的撰写，正在进行STAR分析组内部审阅，下一步将发表。
（7）AMPT模型对平均横动量的碰撞系统及中心度依赖的研究
我们对多相输运模型（AMPT）的初始条件参数：弦碎裂参数以及横动量截断进行了修改,使AMPT模型首次能合理的描述在核核碰撞(Au+Au,Pb+Pb)中系统平均横动量的中心度依赖性，也能合理的描述其他小系统（如pPb,Cu+Cu,Xe+Xe）中的平均横动量。相关内容已经撰写论文并投稿Phys. Rev. C（arxiv2103.10815）。
通过之前的研究发现，要同时在质子质子及核核碰撞中合理的描述某些观测量，如带电粒子的平均横动量及产额，我们需要对多相输运模型中的初始状态参数引入不同的数值。在这个工作中我们通过引入核厚度函数使AMPT中弦碎裂参数以及横动量截断参数化：
首先我们通过研究20GeV-13TeV能量中的质子质子碰撞实验中横动量在0-2GeV范围内的带电粒子的平均横动量确定了,然后我们通过质心能量为7.7-5020AGeV范围内的核核碰撞的实验数据确定了的参数形式，在完成了以上两个参数的参数化并放入AMPT模型后，我们发现改进的AMPT模型首次能合理的描述在核核碰撞(Au+Au, Pb+Pb)中系统平均横动量的中心度依赖性，也能合理的描述其他小系统（如pPb, Cu+Cu, Xe+Xe）中的平均横动量。
论文发表：
1.J. Adam et al. (STAR Collaboration), Nonmonotonic Energy Dependence of Net-Proton Number Fluctuations, Phys. Rev. Lett.126,092301（2020）
2.Ning Yu, Dingwei Zhang, Xiaofeng Luo, Search for QCD critical point by transverse velocity dependence of anti-deuteron to deuteron ratio, Chinese Physics C Vol. 44, No. 1 (2020) 014002
3.Xiaofeng Luo, Shusu Shi, Nu Xu and Yifei Zhang, A Study of the Properties of the QCD Phase Diagram in High-Energy Nuclear Collisions, Particles 2020, 3(2), 278-307; https://doi.org/10.3390/particles3020022
4.Arghya Chatterjee, Yu Zhang, Jingdong Zeng, Nihar Ranjan Sahoo, and Xiaofeng Luo, Effect of centrality selection on higher-order cumulants of net-proton multiplicity distributions in relativistic heavy-ion collisions, PHYSICAL REVIEW C 101, 034902 (2020)
5.Yu Zhang, Shu He, Hui Liu, Zhenzhen Yang, and Xiaofeng Luo, Effects of resonance weak decay and hadronic rescattering on the proton number fluctuations in Au+Au collisions at = 5 GeV from a microscopic hadronic transport (JAM) model, PHYSICAL REVIEW C 101, 034909 (2020)
6.Zheng Zhang, Chao Shi, Xiaofeng Luo, and Hong-Shi Zong, Chiral phase transition in a rotating sphere, PHYSICAL REVIEW D 101, 074036 (2020)
7.Zheng Zhang,Chao Shi, Xiaofeng Luo, and Hong-Shi Zong, Rotating fermions inside a spherical boundary, PHYSICAL REVIEW D 102, 065002 (2020)
8.Zheng Zhang,Chao Shi, Xiao-Tao He, Xiaofeng Luo, and Hong-Shi Zong, Chiral phase transition inside a rotating cylinder within the Nambu–Jona-Lasinio model, PHYSICAL REVIEW D 102, 114023 (2020)
9.Hui Liu, Dingwei Zhang, Shu He, Kai-jia Sun, Ning Yu, Xiaofeng Luo, Light nuclei production in Au+Au collisions at = 5–200 GeV from JAM model, Physics Letters B 805 (2020) 135452
10.Li-Kang Yang, Xiao-Feng Luo, Jorge Segovia and Hong-Shi Zong, A Brief Review of Chiral Chemical Potential and Its Physical Effects, Symmetry 2020, 12(12), 2095
11.L. Zheng, C. Zhang, S.S. Shi, Z.W. Lin, Improvement of heavy flavor production in a multiphase transport model updated with modern nuclear parton distribution functions, PHYSICAL REVIEW C 101, 034905 (2020)
12.施梳苏，RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究，原子核物理评论，第37卷第3期，2020
会议报告：
1.Chuan Fu, Production of DS Mesons in Au+Au Collisions at 200 GeV by STAR, Hard Probes 2020 (online), 美国, 2020年5月30日– 6月5日。
2.Yingjie Zhou, Measurements of electron production from heavy flavor decays in p+p and Au+Au collisions at √sNN = 200 GeV at STAR, Hard Probes 2020 (online), 美国, 2020年5月30日– 6月5日。
3.Shaowei Lan, Identified Particle v1 and v2 in 3 GeV Au+Au Collisions at RHIC-STAR, DNP 2020, 美国, 2020年10月29日-11月1日
