北京大学物理学院宋慧超于各向异性流体力学在小系统集体流研究中取得重要进展

两个质子以近光速相撞，能否会产生夸克胶子等离子体（QGP）小液滴？这是近年来高能核物理领域备受关注的问题。近日，北京大学物理学院理论物理研究所宋慧超教授课题组与合作者采用各向异性粘滞流体力学（VAH），系统研究了LHC能区13TeV质子-质子（p+p）碰撞高多重数区域的集体流，在流体力学框架内成功复现了高多重数事件中四粒子累积量c₂{4}的负值，并指出p+p碰撞小系统直到QGP演化末期均未达到各向同性。该工作加深了人们对小系统QGP流体演化的认识。

QGP是强相互作用物质的解禁闭相，曾经存在于宇宙极早期，也有可能存在于中子星内部。高能核-核碰撞可以在碰撞瞬间产生QGP，揭示强相互作用物质的相变和性质。过去20余年的研究表明，相对论流体力学及其耦合模型能够定量描述和预言Au+Au、Pb+Pb等碰撞大系统的各种集体流，并由此得出QGP是“近乎完美流体”这一重要结论。近年来，人们在p+p、p+Pb等碰撞小系统的高多重数事件中同样观测到了二粒子分布的长程关联、椭圆流的质量排序、价夸克标度率等集体流信号，暗示可能已形成了小尺度的QGP液滴。然而，四粒子累积量c₂{4}的符号是长期悬而未决的一个问题：ALICE、ATLAS和CMS等国际合作组在高多重数p+p事件中一致测得c₂{4}为负值，而传统流体力学在多种初始条件下均给出正值。

基于这一现状，宋慧超课题组与美国俄亥俄州立大学Ulrich Heinz教授合作，采用各向异性粘滞流体力学（Viscous Anisotropic Hydrodynamics, VAH）框架，系统研究了LHC能区13TeV（p+p）碰撞的集体流信号。与传统二阶粘滞流体力学（VH）基于各向同性分布的微扰展开相比，VAH将纵向压强与横向压强作为独立的动力学量分别演化，非微扰地处理了小系统火球在快速纵向膨胀中产生的巨大各向异性压强及粘滞项。计算结果表明，VAH能够描述椭圆流v₂{2}和三角流v₃{2}的实验数据，并在流体力学模型框架内成功复现了高多重数事件中c₂{4}的负值。进一步的研究表明，VAH模拟中火球的纵横压强比在整个演化过程中始终小于1，即QGP直到强子化都未达到各向同性。这项研究表明各向异性粘滞流体力学是p+p、p+Pb、O+O等碰撞小系统软物理定量研究更为可靠的理论工具，也加深了人们对小系统早期演化的认识。

VAH模拟给出的13TeV（p+p）碰撞中QGP火球平均纵横压强比P_L/P_T的演化。在所有多重数区间内，P_L/P_T直到演化末期均小于1，表明QGP火球直到强子化也未达到各向同性

这项工作以“Exploring the Fluid Behavior in p+p Collisions at √s = 13 TeV with Viscous Anisotropic Hydrodynamics”为题发表于《物理评论快报》。北京大学物理学院理论物理研究所博士生赵沭钧（现为日本上智大学博士后）为该论文的第一作者，宋慧超为通讯作者，其他合作者还有物理学院博士生彭亦扬和Ulrich Heinz。

该工作得到了国家自然科学基金及北京大学高性能计算平台、西安曙光超算中心和天津国家超算中心（天河新一代）的支持。