CMS检测器上D0生产的候选事件显示。（图片来源：CMS合作）

在大型强子对撞机中，重离子被加速到极高的能量，从而产生强大的电磁场。因此，来自迎面而来的铅离子束的光子可以相互作用或与原子核相互作用，称为超外围碰撞。现有粒子加速器可实现的最高能量光子核散射是物理学家研究原子核结构的有用探针。虽然核子的常见图像是它们包含三个夸克（质子是上下的，中子是上下的），但实际上，由夸克-反夸克对和胶子组成的复杂海洋构成了质子或中子能量的很大一部分。超外围碰撞是测试核物质性质的非凡工具。

CMS实验最近发布了第一批使用LHC run 3第一次重离子运行数据的结果。结果首次测量了超外围碰撞中D0介子（包含一个粲夸克和一个粲反夸克）及其反粒子D0 bar介子（由一个上夸克和一个粲反夸克组成）的产生。D0介子是由粲夸克形成的，粲夸克被光子踢出原子核，携带着有关部分子分布函数的信息——描述夸克和胶子在原子核内的行为。

为了测量D0的产生，CMS探测器首先选择光子和铅核碰撞导致原子核分裂的事件。当这种情况发生时，中子从碰撞中自由流动，与光束平行，而质子和完整的原子核将沿着弯曲的路径，因为它们在大型强子对撞机磁场的存在下携带电荷。位于相互作用点两侧140米远的两个量热计，与光束处于零度，能够探测到这样的中子。如果它们在一个量热计中而不是在另一个量热计中，在与碰撞一致的时间窗口中被看到，则选择该事件进行进一步研究。

然后，D0衰变的产物——带相反电荷的介子和介子对——在CMS探测器中被重建。物理学家考虑介子和介子轨迹的所有组合，每个轨迹都假定介子和介子的质量。然后，他们使用数据过滤这些组合，以识别与他们期望的D0介子相匹配的轨迹。由此，他们能够测量所谓的产生横截面，也就是产生D0介子的速率。

对于CMS来说，利用D0介子产生来研究核结构只是超外围碰撞的众多应用之一。随着方法的改进和系统不确定性的减少，随着时间的推移，这项技术将能够提供对部分子分布函数的约束，使物理学家能够更深入地了解核物质的结构。

大型强子对撞机第三次重离子运行将于11月初开始。