日前，复旦大学马余刚院士团队等科研人员，首次在RHIC-STAR国际合作的重离子碰撞实验中观测到了反应末态粒子的整体自旋排列现象。该成果为研究夸克胶子等离子体QGP中的强相互作用提供了一个新的可能方向，相关成果于1月18日发表在《自然》（Nature）杂志。
该成果是基于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的螺旋径迹探测器（RHIC-STAR），研究人员发现接近光速的金核-金核对撞形成的夸克物质中产生的Φ介子表现出的“整体极化“新现象。非对心的相对论重离子碰撞会沿着反应平面法线方向产生巨大的轨道角动量。理论研究指出，该角动量会以流体涡旋的形式传递到QGP中，QGP中的粒子通过自旋-轨道相互作用可以产生自旋极化，这种关于事件反应平面自旋极化的效应称为“整体极化”效应。有意思的是，传统的机制--例如重离子碰撞中产生的强磁场或物质的涡旋场无法解释STAR实验组新的测量结果。
在《自然》论文中，马余刚院士团队与合作者在STAR实验组测量了Φ和K*0介子的整体自旋排列。研究团队采用了马院士团队在2005年建立的数据分析方法(DOI: 10.1103/PhysRevC77.061902)，他们通过跟踪这些粒子的衰变产物相对于反应平面法线方向的角分布，再将这些角度分布测量值转换为母粒子处于三种自旋状态的概率，实现母粒子的自旋排列密度矩阵的测量(如图一所示)。我们知道，自旋是基本粒子所具有的内禀角动量，其本质是一种相对论的量子效应。如果把自旋的粒子想象成一个旋转的陀螺，与陀螺的转轴方向类似，粒子的自旋也存在着方向。《自然》论文探索的“整体极化”效应是一种新的现象。在没有整体自旋排列信号的情况下，他们测量的Φ和K*0介子自旋处于三种状态中的每一种的概率都等于三分之一，正如对于K*0介子的实验测量所展示的。但是对于Φ介子，实验数据表现出强烈的信号，即一种状态优于其他两种状态(如图二所示)。
图一，重离子碰撞中Φ和K*0介子的自旋排列示意图。图片来自Nature论文。
然而，传统的理论虽能解释QGP中的Lambda超子的整体极化，但不能描述本次矢量介子的整体自旋排列的新实验结果。在传统的机制下，将夸克水平的自旋极化转换为介子的整体自旋排列得到的效应远远低于《自然》论文中新的测量结果。近期，中国的理论核物理团队提出了一个新的观点，即QGP内强相互作用力的局部涨落可能驱动了Φ介子的整体自旋排列。这种新的机制也考虑了Φ和K*0介子之间不同的夸克组分，并解释了实验上观测到两者之间的差异。这一理论仍需要更多的实验结果进行验证。
图二：实验测量的Φ和K*0介子自旋密度矩阵ρ00成分随着束流能量、粒子横向动量和快度的分布。图中实心点是新测量实验数据，最右边的空心点是欧洲核子中心大强子对撞机上在相似运动学窗口的测量结果。图中红色实心线是考虑了强作用力局部涨落理论对实验数据的拟合结果。黑色虚线表示没有整体自旋排列的预期值。图中，Φ介子的测量结果表现出强烈的自旋排列的信号， 如右下方卡通图所示。
相对论重离子碰撞中夸克物质的整体极化效应，和自然界中一些现象类似。比如地球在围绕太阳公转的同时也在自转，相对论重离子碰撞产生的夸克物质在实现每秒10的21次量级的自身转速的同时，表现出一定的方向性，这种方向性类似于地球绕日公转时表现出的倾角。
新的实验研究还在持续进行中，马余刚院士团队及其合作者正在研究另一种由同味道夸克-反夸克对形成的粒子的自旋整体排列：J/Ψ粒子的整体极化。如果发现J/Ψ粒子的自旋整体排列，将为强相互作用力的局部涨落的理论解释增加进一步的支撑，从而也提供了使用这些粒子的整体极化行为来量化强相互作用中的局部涨落强度，为研究QGP中的强相互作用机制提供了一个新的可能方向。
按照STAR国际大型合作组的要求，论文的作者署名以字母排序。而实际的主要完成人包含7人，除了复旦大学团队的马余刚院士、陈金辉研究员和周晨升博士后外，还包括布鲁克海文国家实验室的唐爱洪研究员，伊利诺伊大学芝加哥分校的孙旭博士后（现工作在中科院近代物理研究所），肯特州立大学的Declan Keane教授和中科院近代物理所的Subhash Singha研究员。
该工作得到了国家自然科学基金委重大项目、国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家自然科学基金委理论物理专款-上海核物理理论研究中心的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05557-5
新闻链接：https://news.fudan.edu.cn/2023/0117/c2463a133758/page.htm
