研究方向分为高能核物理和粒子物理两个领域。

高能核物理实验方面，主要参与和领导三个实验：位于美国BNL国家实验室的RHIC-STAR实验、RHIC-sPHENIX实验、和即将在四川锦屏山开建的地下无中微子双贝塔衰变实验; 高能粒子物理实验方面，主要参与两个国际实验：位于日本KEK的B介子工厂实验(Belle) 以及超级B介子工厂实验(Belle II) 和位于中科院高能所的北京谱仪III实验。

理论方面，主要包括：1) 量子色动力学（QCD）物质的理论研究，包括研究高温夸克胶子等离子体性质，高密夸克物质与核物质性质。主要科学目标是要理解QCD的多体物理，特别是理解QCD物质相图和每一相的热力学与输运性质。这些研究一方面对于了解强相互作用物质是重要的，另一方面也与当前的相对论重离子碰撞实验（包括美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机和欧洲核子中心的大型强子对撞机等）密切相关。 2) 有效场理论的研究，通过有效场理论来回答基本粒子之间的相互作用，特别是强相互作用等的基本问题。

STAR 实验的主要物理目标是揭示夸克胶子等离子体（QGP）的性质。通过对于QGP性质的研究可以使人们理解大爆炸早期的宇宙状态。具体研究方向包括，QGP相变点寻找，集体流研究，喷注研究，奇异夸克产生，反物质探测，手征磁效应/手征涡旋效应研究等。复旦课题组作为STAR实验合作组新的成员，参与了2017年STAR事件平面探测器（EPD）的研制和安装调试。EPD探测器能够大大提高事件平面分辨率，为后续的物理分析提供帮助。sPHENIX实验是在BNL实验室RHIC对撞机上的新一代大型探测器，预期在2023年完成建造并开始运行，将主导2023年后RHIC的主要科学目标和运行规划。sPHENIX实验通过精确测量多个维度下的高能QGP探针，包括喷注、光子-喷注对和Upsilon粒子等，研究QGP的物理起源和演化、内部结构、对初始温度的依赖性及其与各种高能探针间的相互作用等。复旦大学核物理与离子束应用教育部重点实验室参与建造的电磁量能器(Electromagnetic Calorimeter, EMCal)是sPHENIX实验的核心探测器，用于在高本底条件下触发，鉴定和测量电子和光子，进而重构喷注和Upsilon粒子。四川锦屏地下无中微子双贝塔衰变实验的研究目标主要是：1. 证明中微子是其本身的反粒子，可以为宇宙诞生初期物质和反物质的不对称性给出可能的解释； 2. 独立的间接测量中微子质量。核物理和粒子物理发展到今天，解决了很多困扰人类的难题，比如说宇宙中物质的基本组成成分以及物质的质量来源等，但是还有很多基本的问题一直在困扰着物理学家们，比如说究竟存在不存在右手征的中微子和左手征的反中微子？中微子的质量来源是什么？等等。为了解答类似众多的难题，复旦高能实验组牵头规划和建造该地下无中微子双贝塔衰变实验。

复旦组在Belle / Belle II实验上的研究方向包括：B介子电荷共轭和空间反演（CP）破坏研究和新型强子态的研究。B介子电荷共轭和空间反演（CP）破坏研究一直是粒子物理学最热门的前沿研究之一。CP破坏之所以重要是因为其是宇宙正反物质不对称的根源，现有的理论模型预言的CP破坏大小不足以解释为什么我们处在物质世界里，而看不到任何反物质。那么在高能对撞实验中寻找CP破坏，对理解宇宙形成有重要而深远的意义。盖尔曼的夸克模型提出后，近半个世纪关于强子形态的认识一直只有正反两个夸克的介子和三个夸克或者反夸克的重子两种。是否有QCD允许的其他强子形态存在以及其内部的强相互作用一直是粒子物理实验的重要方向。多个新型强子态的发现，以及它们难以被现有理论解释，说明超出夸克模型的强子形态可能已被发现。目前的理论猜想包括多夸克态、分子态、混杂态以及胶子球等多种，Belle II将是研究这一方向的最佳实验。

复旦组在BESIII实验上的主要研究方向包括：寻找多夸克态，胶球和混杂态等新型强子态；通过强子的电磁Dalitz衰变过程抽取强子态的电磁形状因子，研究末态强子的内部结构和相互作用。