科研進(jìn)展
重離子碰撞實(shí)驗中首次觀(guān)測到整體自旋排列現象
日前，中科院近代物理研究所等機構的科研人員參與RHIC-STAR國際合作實(shí)驗研究，首次在重離子碰撞實(shí)驗中觀(guān)測到了反應末態(tài)粒子的整體自旋排列現象。該成果為研究夸克膠子等離子體中的強相互作用提供了一個(gè)新的可能方向，相關(guān)成果于1月18日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。
自然界中存在四種已知的相互作用，而強相互作用是四種相互作用中最強的。在其作用下，夸克和膠子組成質(zhì)子、中子，進(jìn)而形成了宇宙中的絕大部分可見(jiàn)物質(zhì)。位于美國布魯克海文國家實(shí)驗室的相對論重離子對撞機（RHIC），通過(guò)將金原子核加速至接近光速并使其碰撞來(lái)產(chǎn)生高溫高密度的核物質(zhì)。在這種極端條件下，質(zhì)子和中子“融化”成了解禁閉的夸克膠子等離子體（QGP）。
由于大部分重離子碰撞事件并不是對心碰撞，這使得碰撞產(chǎn)生的QGP系統高速旋轉?？蒲腥藛T可以通過(guò)測量特定末態(tài)粒子的自旋方向來(lái)研究QGP渦流的相關(guān)性質(zhì)。然而探測器無(wú)法直接探測到粒子的自旋方向信息，科研人員巧妙地利用可衰變粒子的自旋與其衰變產(chǎn)物動(dòng)量的關(guān)聯(lián)，提取自旋方向信息。
通過(guò)分析RHIC上的STAR探測器采集的實(shí)驗數據，科研人員分析了phi介子和K*0介子相對于碰撞系統角動(dòng)量的自旋方向。phi介子和K*0介子存在三個(gè)可能的自旋方向，如果沒(méi)有特殊的物理機制，粒子自旋處于每個(gè)方向的概率都是相同的。
測量結果表明，在現有統計下未能觀(guān)測到K*0介子的整體自旋排列信號，而phi介子表現出顯著(zhù)的整體自旋排列信號。并且phi介子的自旋排列信號隨著(zhù)碰撞能量的降低而增大，這意味著(zhù)phi介子的自旋更傾向于一個(gè)特定的狀態(tài)。這是在重離子碰撞實(shí)驗中首次觀(guān)測到的末態(tài)粒子的自旋排列現象。
傳統的理論模型（例如在碰撞系統中引入渦流、磁場(chǎng)以及強子碎裂等因素）均無(wú)法解釋此實(shí)驗中觀(guān)測到的phi介子的自旋排列現象。近期，理論物理學(xué)家通過(guò)在QGP中引入強相互作用的局部漲落，定性地解釋了該現象。然而，這一理論仍需更多的實(shí)驗結果進(jìn)行驗證。如果這一理論是正確的，那么前文提到的實(shí)驗測量結果將幫助科學(xué)家們研究強相互作用中的局部漲落有多強。該測量結果為研究QGP中的強相互作用機制提供了一個(gè)新的可能方向。
STAR國際合作實(shí)驗組由來(lái)自14個(gè)國家、71個(gè)單位的七百余名科研人員組成。該研究的物理分析工作由中科院近代物理所、復旦大學(xué)、美國布魯克海文國家實(shí)驗室、肯特州立大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的科研人員合作完成。近代物理所的Subhash Singha研究員和孫旭副研究員分別為K*0介子和phi介子的整體自旋排列測量做出了重要貢獻。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05557-5
圖1：重離子碰撞中和K*0介子的自旋排列示意圖 圖源/ nature
圖2：夸克膠子等離子體中的phi介子 圖源/美國布魯克海文國家實(shí)驗室
（核物質(zhì)相結構室 供稿）
