科學家發現自旋粒子的“排列取向”

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日前，中科院院士、復旦大學教授馬余剛團隊與合作者一起，首次在重離子碰撞實驗中，觀測到反應末態粒子的整體自旋排列現象。這為研究夸克膠子等離子體（QGP）中的強相互作用提供了一個可能的新方向。1月19日，相關成果在線發表于《自然》。

“這項研究用充分的實驗證據，建立了核物質系統和粒子物理（自旋）之間的聯系，為核物質自旋動力學發展指明了新方向，并有可能提供測量強相互作用中局部漲落強度的探針。”馬余剛告訴《中國科學報》。

重離子碰撞中?和K*0介子自旋排列示意      受訪者供圖

自旋是基本粒子的內稟角動量（自身具有與空間中運動無關），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。

和宏觀世界中的一些現象類似，相對論重離子碰撞中夸克物質存在“整體極化”效應（事件反應平面自旋極化的效應）。像地球圍繞太陽公轉的同時也在自轉一樣，相對論重離子碰撞產生的夸克物質在實現每秒1021量級自轉的同時，也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。

基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機（RHIC）上螺旋徑跡探測器（STAR）的碰撞實驗，研究人員發現接近光速的金核—金核對撞，形成的夸克物質中產生的?介子表現出新的“整體極化”現象。即，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。理論研究表明，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。

有意思的是，傳統的理論機制——如重離子碰撞中產生的強磁場或物質的渦旋場雖能解釋QGP中超子的整體極化，但不能描述本次矢量介子的整體自旋排列的新實驗結果。

研究人員在STAR實驗組測量了?和K*0介子的整體自旋排列，并采用馬余剛團隊在2005年建立的數據分析方法，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的概率，實現母粒子的自旋排列密度矩陣的測量。

該研究探索的“整體極化”效應是一種新現象，在沒有整體自旋排列信號的情況下，他們測量的?和K*0介子自旋處于三種狀態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?介子，實驗數據表現出強烈的信號，即一種狀態優于其他兩種狀態。

在傳統的機制下，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該論文中新的測量結果。為此，理論核物理科學家提出一個新的觀點，即QGP內強相互作用力的局部漲落，可能驅動了?介子的整體自旋排列。這種新的機制也考慮了?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。”馬余剛說，“新的實驗研究還在持續進行中，我們與合作者正在研究另一種由同味道（味道是一種夸克的類別）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一個可能的新方向。”

該論文審稿專家認為，這些實驗結果反映了對重離子碰撞中產生的熱密物質的自旋動力學的理解的重要進展。“在《自然》上發表該實驗結果，將有助于推動在理論上對觀測到的自旋排列的特性和背后物理機制的深入理解，文章中提出的對?和 K*0矢量介子的整體自旋排列的新的測量會在物理界引發巨大興趣”。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05557-5