日前，中科院近代物理研究所等機(jī)構(gòu)的科研人員參與RHIC-STAR國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)研究，首次在重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)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(qiáng)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(qiáng)相互作用是四種相互作用中最強(qiáng)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(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（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(duì)心碰撞，這使得碰撞產(chǎn)生的QGP系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)?？蒲腥藛T可以通過(guò)測(cè)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(cè)器無(wú)法直接探測(cè)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(cè)器采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，科研人員分析了phi介子和K*0介子相對(duì)于碰撞系統(tǒng)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(jī)制，粒子自旋處于每個(gè)方向的概率都是相同的。 

　　測(cè)量結(jié)果表明，在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)下未能觀測(cè)到K*0介子的整體自旋排列信號(hào)，而phi介子表現(xiàn)出顯著的整體自旋排列信號(hào)。并且phi介子的自旋排列信號(hào)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(gè)特定的狀態(tài)。這是在重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)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(chǎng)以及強(qiáng)子碎裂等因素）均無(wú)法解釋此實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的phi介子的自旋排列現(xiàn)象。近期，理論物理學(xué)家通過(guò)在QGP中引入強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。如果這一理論是正確的，那么前文提到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果將幫助科學(xué)家們研究強(qiáng)相互作用中的局部漲落有多強(qiáng)。該測(cè)量結(jié)果為研究QGP中的強(qiáng)相互作用機(jī)制提供了一個(gè)新的可能方向。 

　　STAR國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)組由來(lái)自14個(gè)國(guó)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(fù)旦大學(xué)、美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(cè)量做出了重要貢獻(xiàn)。

　　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(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 

　　 （核物質(zhì)相結(jié)構(gòu)室 供稿）