(資料圖)
日前，復(fù)旦大學(xué)馬余剛院士團(tuán)隊(duì)等科研人員，首次在RHIC-STAR國際合作的重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中觀測到了反應(yīng)末態(tài)粒子的整體自旋排列現(xiàn)象。該成果為研究夸克膠子等離子體QGP中的強(qiáng)相互作用提供了一個新的可能方向，相關(guān)成果于1月18日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志。
該成果是基于美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)上的螺旋徑跡探測器（RHIC-STAR），研究人員發(fā)現(xiàn)接近光速的金核-金核對撞形成的夸克物質(zhì)中產(chǎn)生的Φ介子表現(xiàn)出的“整體極化”新現(xiàn)象。非對心的相對論重離子碰撞會沿著反應(yīng)平面法線方向產(chǎn)生巨大的軌道角動量。理論研究指出，該角動量會以流體渦旋的形式傳遞到QGP中，QGP中的粒子通過自旋-軌道相互作用可以產(chǎn)生自旋極化，這種關(guān)于事件反應(yīng)平面自旋極化的效應(yīng)稱為“整體極化”效應(yīng)。有意思的是，傳統(tǒng)的機(jī)制--例如重離子碰撞中產(chǎn)生的強(qiáng)磁場或物質(zhì)的渦旋場無法解釋STAR實(shí)驗(yàn)組新的測量結(jié)果。
在《自然》論文中，馬余剛院士團(tuán)隊(duì)與合作者在STAR實(shí)驗(yàn)組測量了Φ和K*0介子的整體自旋排列。研究團(tuán)隊(duì)采用了馬院士團(tuán)隊(duì)在2005年建立的數(shù)據(jù)分析方法(DOI: 10.1103/PhysRevC77.061902)，他們通過跟蹤這些粒子的衰變產(chǎn)物相對于反應(yīng)平面法線方向的角分布，再將這些角度分布測量值轉(zhuǎn)換為母粒子處于三種自旋狀態(tài)的概率，實(shí)現(xiàn)母粒子的自旋排列密度矩陣的測量(如圖一所示)。我們知道，自旋是基本粒子所具有的內(nèi)稟角動量，其本質(zhì)是一種相對論的量子效應(yīng)。如果把自旋的粒子想象成一個旋轉(zhuǎn)的陀螺，與陀螺的轉(zhuǎn)軸方向類似，粒子的自旋也存在著方向?！蹲匀弧氛撐奶剿鞯?ldquo;整體極化”效應(yīng)是一種新的現(xiàn)象。在沒有整體自旋排列信號的情況下，他們測量的Φ和K*0介子自旋處于三種狀態(tài)中的每一種的概率都等于三分之一，正如對于K*0介子的實(shí)驗(yàn)測量所展示的。但是對于Φ介子，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的信號，即一種狀態(tài)優(yōu)于其他兩種狀態(tài)(如圖二所示)。
然而，傳統(tǒng)的理論雖能解釋QGP中的Lambda超子的整體極化，但不能描述本次矢量介子的整體自旋排列的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在傳統(tǒng)的機(jī)制下，將夸克水平的自旋極化轉(zhuǎn)換為介子的整體自旋排列得到的效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《自然》論文中新的測量結(jié)果。近期，中國的理論核物理團(tuán)隊(duì)提出了一個新的觀點(diǎn)，即QGP內(nèi)強(qiáng)相互作用力的局部漲落可能驅(qū)動了Φ介子的整體自旋排列。這種新的機(jī)制也考慮了Φ和K*0介子之間不同的夸克組分，并解釋了實(shí)驗(yàn)上觀測到兩者之間的差異。這一理論仍需要更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
相對論重離子碰撞中夸克物質(zhì)的整體極化效應(yīng)，和自然界中一些現(xiàn)象類似。比如地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)的同時也在自轉(zhuǎn)，相對論重離子碰撞產(chǎn)生的夸克物質(zhì)在實(shí)現(xiàn)每秒10的21次量級的自身轉(zhuǎn)速的同時，表現(xiàn)出一定的方向性，這種方向性類似于地球繞日公轉(zhuǎn)時表現(xiàn)出的傾角。
新的實(shí)驗(yàn)研究還在持續(xù)進(jìn)行中，馬余剛院士團(tuán)隊(duì)及其合作者正在研究另一種由同味道夸克-反夸克對形成的粒子的自旋整體排列：J/Ψ粒子的整體極化。如果發(fā)現(xiàn)J/Ψ粒子的自旋整體排列，將為強(qiáng)相互作用力的局部漲落的理論解釋增加進(jìn)一步的支撐，從而也提供了使用這些粒子的整體極化行為來量化強(qiáng)相互作用中的局部漲落強(qiáng)度，為研究QGP中的強(qiáng)相互作用機(jī)制提供了一個新的可能方向。
按照STAR國際大型合作組的要求，論文的作者署名以字母排序。而實(shí)際的主要完成人包含7人，除了復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)的馬余剛院士、陳金輝研究員和周晨升博士后外，還包括布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的唐愛洪研究員，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的孫旭博士后（現(xiàn)工作在中科院近代物理研究所），肯特州立大學(xué)的Declan Keane教授和中科院近代物理所的Subhash Singha研究員。
標(biāo)簽：
