研究人员首次观测到粒子整体自旋排列现象

近日，中国科学院院士、复旦大学马余刚教授团队和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反应末态粒子的整体自旋排列现象，该成果或为研究夸克—胶子等离子体（QGP）中的强相互作用提供一个新方向。相关论文发表于《自然》。

自旋是基本粒子所具有的内禀角动量，其本质上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。粒子自旋的方向并非简单三维的，而是量子化的，探测器无法直接探测到粒子的自旋方向信息。因此，科学家需要利用可衰变粒子的自旋与其衰变产物动量的关联，来提取粒子自旋方向信息。

此次研究中，研究团队测量了自旋为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致的，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，其自旋排列信号随着碰撞能量的降低而增大，自旋更倾向于一个特定的状态。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较好地定性解释上述现象。结合STAR实验组最新的测量结果和该实验组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，提供了一个研究强相互作用的新方向。