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没有透镜的显微镜：飞米显微技术的概念与应用
A microscope without lenses：concepts and applications of femtoscopy
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摘要: 飞米显微技术是一种没有透镜的“显微镜”。在重离子碰撞中，原子核会在极短时间内形成短寿命核反应发射源，并向外发射质子、中子、介子及其反粒子。虽然人们不能直接拍摄这个飞米尺度的源，但成对粒子的相对动量分布会留下两粒子之间的有效相对距离、发射时间差和末态相互作用的痕迹。通过测量两粒子关联函数，并结合探测器修正和量子散射模型，研究者可以在特定碰撞和动量条件下约束粒子对的有效相对距离分布，并提取粒子间的相互作用参数。文章从Hanbury Brown—Twiss强度干涉出发，介绍飞米显微技术的基本思想，并结合中子—中子关联和质子/反质子源成像两项近期研究，说明它如何同时“测源”和“测力”。这些例子表明，飞米显微技术得到的不是单次碰撞的直接照片，而是由大量粒子对统计关联重建的飞米尺度相对源图像；它为研究核力、重离子碰撞冻出过程以及物质与反物质的相对源分布提供了新的实验窗口。Abstract: Femtoscopy is microscopy without lenses. In heavy-ion collisions, atomic nuclei form a tiny and short-lived emitting source that releases protons, neutrons, mesons, and their antiparticles. Although this femtometer-scale source cannot be photographed directly, the relative momentum distributions of the particle pairs retain information about their effective relative separations, emission-time differences, and final-state interactions. By combining two-particle correlation measurements with detector corrections and quantum-scattering models, we can constrain the particle pair relative-source function and extract interaction parameters under specified collision and momentum conditions. This article introduces the basic concept of femtoscopy, beginning with Hanbury Brown—Twiss intensity interferometry, and discusses two recent examples involving neutron-neutron correlations and source imaging for proton-proton and antiproton-antiproton pairs. which illustrate how femtoscopy can constrain both relative-source functions and pair interactions. The examples show that femtoscopy does not produce a direct snapshot of a single collision, but reconstructs a femtometer-scale image of the relative source from the statistical correlations of a large ensemble of particle pairs. It thereby provides a new experimental window into nuclear forces, the freeze-out process in heavy-ion collisions, and the relative source distributions of matter and antimatter.
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Key words:
- femtoscopy /
- two-particle correlation function /
- quantum scattering /
- strong interaction /
- heavy-ion collisions .
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Hanbury Brown R，Twiss R Q. Nature，1956，178：1046 Koonin S E. Phys. Lett. B，1977，70：43 Pratt S. Phys. Rev. Lett.，1984，53：1219 Brown D A，Danielewicz P. Phys. Lett. B，1997，398：252 Lisa M A，Pratt S，Soltz R et al. Annu. Rev. Nucl. Part. Sci.，2005， 55：357 Wang Y J，Guan F H，Diao X Y et al. Nucl. Sci. Tech.，2021，32：4 Si D W，Xiao S，Qin Y H et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A，2025，1070：170055 Si D W，Xiao S，Qin Z et al. Phys. Rev. Lett.，2025，134：222301 Lednicky R，Lyuboshitz V L. Sov. J. Nucl. Phys.，1982，35：770 STAR Collaboration. Nature，2015，527：345 Richardson W H. J. Opt. Soc. Am.，1972，62：55 Lucy L B. Astron. J.，1974，79：745 Xu J H，Qin Z，Zou R J et al. Chin. Phys. Lett.，2025，42：031401 ALICE Collaboration. Nature，2020，588：232 Zhang W N，Yin H J，Ren Y Y. Chin. Phys. Lett.，2011，28： 122501 Wang S Y，Zhang W N. Front. Phys.，2022，10：835592 Shi S S，Du J X，Liu L S. Eur. Phys. J. A，2007，33：53 STAR Collaboration. Phys. Rev. C，2010，81：024911 Wang D F，Chen M Y，Ma Y G et al. Nucl. Sci. Tech.，2025， 36：154 Zhang L，Zhang S，Sun K J et al. Phys. Rev. C，2026，113： 064907 Wang T T，Ma Y G，Zhang S. Phys. Rev. C，2024，109：024912 Wang Y et al. Phys. Lett. B，2022，825：136856 Duan X et al. Phys. Rev. C，2026，113：014603 Adam J et al. (STAR Collaboration). Phys. Lett. B，2019， 790：490 STAR Collaboration. Phys. Lett. B，2025，864：139412 Liu Z W，Li K W，Geng L S. Chin. Phys. C，2023，47：024108 Liu Z W，Lu J X，Geng L S. Phys. Rev. D，2023，107：074019 STAR Collaboration. Phys. Rev. Lett.，2026，136：242303 He J J，Zhang S，Ma Y G et al. Eur. Phys. J. A，2020，56：52 Cao X G，Cai X Z，Ma Y G et al. Phys. Rev. C，2012，86：044620 Zhang H J，Xu J H，Li P C et al. Phys. Rev. C，2026，113：034904 -
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