科研進展
重離子碰撞實驗中首次觀測到整體自旋排列現(xiàn)象
日前，中科院近代物理研究所等機構(gòu)的科研人員參與RHIC-STAR國際合作實驗研究，首次在重離子碰撞實驗中觀測到了反應(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中的強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，進而形成了宇宙中的絕大部分可見物質(zhì)。位于美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC），通過將金原子核加速至接近光速并使其碰撞來產(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(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)。科研人員可以通過測量特定末態(tài)粒子的自旋方向來研究QGP渦流的相關(guān)性質(zhì)。然而探測器無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)物動量的關(guān)聯(lián)，提取自旋方向信息。
通過分析RHIC上的STAR探測器采集的實驗數(shù)據(jù)，科研人員分析了phi介子和K*0介子相對于碰撞系統(tǒng)角動量的自旋方向。phi介子和K*0介子存在三個可能的自旋方向，如果沒有特殊的物理機制，粒子自旋處于每個方向的概率都是相同的。
測量結(jié)果表明，在現(xiàn)有統(tǒng)計下未能觀測到K*0介子的整體自旋排列信號，而phi介子表現(xiàn)出顯著的整體自旋排列信號。并且phi介子的自旋排列信號隨著碰撞能量的降低而增大，這意味著phi介子的自旋更傾向于一個特定的狀態(tài)。這是在重離子碰撞實驗中首次觀測到的末態(tài)粒子的自旋排列現(xiàn)象。
傳統(tǒng)的理論模型（例如在碰撞系統(tǒng)中引入渦流、磁場以及強子碎裂等因素）均無法解釋此實驗中觀測到的phi介子的自旋排列現(xiàn)象。近期，理論物理學(xué)家通過在QGP中引入強相互作用的局部漲落，定性地解釋了該現(xiàn)象。然而，這一理論仍需更多的實驗結(jié)果進行驗證。如果這一理論是正確的，那么前文提到的實驗測量結(jié)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(jié)果為研究QGP中的強相互作用機制提供了一個新的可能方向。
STAR國際合作實驗組由來自14個國家、71個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(fù)旦大學(xué)、美國布魯克海文國家實驗室、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驗室
（核物質(zhì)相結(jié)構(gòu)室 供稿）
