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日前，復旦大學馬余剛院士團隊等科研人員，首次在RHIC-STAR國際合作的重離子碰撞實驗中觀測到了反應末態(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QGP中的強相互作用提供了一個新的可能方向，相關成果于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驗室的相對論重離子對撞機上的螺旋徑跡探測器（RHIC-STAR），研究人員發(fā)現接近光速的金核-金核對撞形成的夸克物質中產生的Φ介子表現出的“整體極化”新現象。非對心的相對論重離子碰撞會沿著反應平面法線方向產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生自旋極化，這種關于事件反應平面自旋極化的效應稱為“整體極化”效應。有意思的是，傳統(tǒng)的機制--例如重離子碰撞中產生的強磁場或物質的渦旋場無法解釋STAR實驗組新的測量結果。
在《自然》論文中，馬余剛院士團隊與合作者在STAR實驗組測量了Φ和K*0介子的整體自旋排列。研究團隊采用了馬院士團隊在2005年建立的數據分析方法(DOI: 10.1103/PhysRevC77.061902)，他們通過跟蹤這些粒子的衰變產物相對于反應平面法線方向的角分布，再將這些角度分布測量值轉換為母粒子處于三種自旋狀態(tài)的概率，實現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稟角動量，其本質是一種相對論的量子效應。如果把自旋的粒子想象成一個旋轉的陀螺，與陀螺的轉軸方向類似，粒子的自旋也存在著方向。《自然》論文探索的“整體極化”效應是一種新的現象。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介子的實驗測量所展示的。但是對于Φ介子，實驗數據表現出強烈的信號，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驗結果。在傳統(tǒng)的機制下，將夸克水平的自旋極化轉換為介子的整體自旋排列得到的效應遠遠低于《自然》論文中新的測量結果。近期，中國的理論核物理團隊提出了一個新的觀點，即QGP內強相互作用力的局部漲落可能驅動了Φ介子的整體自旋排列。這種新的機制也考慮了Φ和K*0介子之間不同的夸克組分，并解釋了實驗上觀測到兩者之間的差異。這一理論仍需要更多的實驗結果進行驗證。
相對論重離子碰撞中夸克物質的整體極化效應，和自然界中一些現象類似。比如地球在圍繞太陽公轉的同時也在自轉，相對論重離子碰撞產生的夸克物質在實現每秒10的21次量級的自身轉速的同時，表現出一定的方向性，這種方向性類似于地球繞日公轉時表現出的傾角。
新的實驗研究還在持續(xù)進行中，馬余剛院士團隊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J/Ψ粒子的自旋整體排列，將為強相互作用力的局部漲落的理論解釋增加進一步的支撐，從而也提供了使用這些粒子的整體極化行為來量化強相互作用中的局部漲落強度，為研究QGP中的強相互作用機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。而實際的主要完成人包含7人，除了復旦大學團隊的馬余剛院士、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驗室的唐愛洪研究員，伊利諾伊大學芝加哥分校的孫旭博士后（現工作在中科院近代物理研究所），肯特州立大學的Declan Keane教授和中科院近代物理所的Subhash Singha研究員。
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