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科技日报记者 张盖伦

近日，中科院院士、复旦大学马余刚教授团队、中国科学院近代物理研究所团队与合作者首次在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，相关成果于北京时间1月19日发表于《自然》（Nature）。

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被称为“整体极化”效应。2017年STAR实验组在《自然》杂志发表封面文章，宣布在高能重离子碰撞中首次观测到核物质的“整体极化”现象，但自旋为1/2偶数倍的玻色子的自旋整体极化现象当时尚没有被发现。

自旋是基本粒子所具有的内禀角动量。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。

此次研究团队探索的“整体极化”效应是一种新的现象。STAR实验组测量了自旋为1的Φ介子和K*0介子的整体自旋排列。研究人员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，并把它转换为母粒子处于三种自旋状态的概率，以此实现母粒子的自旋排列密度矩阵的测量。

在没有整体自旋排列信号时，研究团队测量的粒子自旋处于三种状态中每一种的概率都是一样的，正如论文展示的K*0介子的实验结果。但对于Φ介子，实验数据显示，其自旋处于某一种状态的概率高于其他两种状态。这意味着该实验首次观测到粒子的自旋整体排列现象。

在高温高密核物质中引入强相互作用力的局部涨落理论能够定性地解释该实验现象。结合STAR实验组新的测量结果和他们2017年的数据，研究团队的工作确定了高温高密核物质“整体极化”新效应，实证了由中国理论核物理学家在2005年提出的超子和介子的整体自旋极化理论，并提供了一个研究强相互作用的新方向。

该项工作主要由复旦大学、中科院近代物理所、美国布鲁克海文国家实验室、肯特州立大学、伊利诺伊大学合作完成。复旦大学马余刚院士、陈金辉研究员、周晨升博士和中科院近代物理所Subhash Singha研究员、孙旭副研究员作出重要贡献。

标签： 离子碰撞