科学家发现自旋粒子的“排列取向”

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日前，中科院院士、复旦大学教授马余刚团队与合作者一起，首次在重离子碰撞实验中，观测到反应末态粒子的整体自旋排列现象。这为研究夸克胶子等离子体（QGP）中的强相互作用提供了一个可能的新方向。1月19日，相关成果在线发表于《自然》。

“这项研究用充分的实验证据，建立了核物质系统和粒子物理（自旋）之间的联系，为核物质自旋动力学发展指明了新方向，并有可能提供测量强相互作用中局部涨落强度的探针。”马余刚告诉《中国科学报》。

重离子碰撞中?和K*0介子自旋排列示意      受访者供图

自旋是基本粒子的内禀角动量（自身具有与空间中运动无关），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。

和宏观世界中的一些现象类似，相对论重离子碰撞中夸克物质存在“整体极化”效应（事件反应平面自旋极化的效应）。像地球围绕太阳公转的同时也在自转一样，相对论重离子碰撞产生的夸克物质在实现每秒1021量级自转的同时，也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。

基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上螺旋径迹探测器（STAR）的碰撞实验，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?介子表现出新的“整体极化”现象。即，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。理论研究表明，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。

有意思的是，传统的理论机制——如重离子碰撞中产生的强磁场或物质的涡旋场虽能解释QGP中超子的整体极化，但不能描述本次矢量介子的整体自旋排列的新实验结果。

研究人员在STAR实验组测量了?和K*0介子的整体自旋排列，并采用马余刚团队在2005年建立的数据分析方法，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。

该研究探索的“整体极化”效应是一种新现象，在没有整体自旋排列信号的情况下，他们测量的?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?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。

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该论文中新的测量结果。为此，理论核物理科学家提出一个新的观点，即QGP内强相互作用力的局部涨落，可能驱动了?介子的整体自旋排列。这种新的机制也考虑了?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。”马余刚说，“新的实验研究还在持续进行中，我们与合作者正在研究另一种由同味道（味道是一种夸克的类别）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一个可能的新方向。”

该论文审稿专家认为，这些实验结果反映了对重离子碰撞中产生的热密物质的自旋动力学的理解的重要进展。“在《自然》上发表该实验结果，将有助于推动在理论上对观测到的自旋排列的特性和背后物理机制的深入理解，文章中提出的对?和 K*0矢量介子的整体自旋排列的新的测量会在物理界引发巨大兴趣”。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05557-5