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日前，復(fù)旦大學(xué)馬余剛院士團(tuán)隊(duì)等科研人員，首次在rhic-star國(guó)際合作的重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了反應(yīng)末態(tài)粒子的整體自旋排列現(xiàn)象。該成果為研究夸克膠子等離子體qgp中的強(qiáng)相互作用提供了一個(gè)新的可能方向，相關(guān)成果于1月18日發(fā)表在《自然》（nature）雜志。

該成果是基于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)上的螺旋徑跡探測(cè)器（rhic-star），研究人員發(fā)現(xiàn)接近光速的金核-金核對(duì)撞形成的夸克物質(zhì)中產(chǎn)生的φ介子表現(xiàn)出的“整體極化”新現(xiàn)象。非對(duì)心的相對(duì)論重離子碰撞會(huì)沿著反應(yīng)平面法線方向產(chǎn)生巨大的軌道角動(dòng)量。理論研究指出，該角動(dòng)量會(huì)以流體渦旋的形式傳遞到qgp中，qgp中的粒子通過(guò)自旋-軌道相互作用可以產(chǎn)生自旋極化，這種關(guān)于事件反應(yīng)平面自旋極化的效應(yīng)稱(chēng)為“整體極化”效應(yīng)。有意思的是，傳統(tǒng)的機(jī)制--例如重離子碰撞中產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)或物質(zhì)的渦旋場(chǎng)無(wú)法解釋star實(shí)驗(yàn)組新的測(cè)量結(jié)果。

在《自然》論文中，馬余剛院士團(tuán)隊(duì)與合作者在star實(shí)驗(yàn)組測(cè)量了φ和k*0介子的整體自旋排列。研究團(tuán)隊(duì)采用了馬院士團(tuán)隊(duì)在2005年建立的數(shù)據(jù)分析方法(doi: 10.1103/physrevc77.061902)，他們通過(guò)跟蹤這些粒子的衰變產(chǎn)物相對(duì)于反應(yīng)平面法線方向的角分布，再將這些角度分布測(cè)量值轉(zhuǎn)換為母粒子處于三種自旋狀態(tài)的概率，實(shí)現(xiàn)母粒子的自旋排列密度矩陣的測(cè)量(如圖一所示)。我們知道，自旋是基本粒子所具有的內(nèi)稟角動(dòng)量，其本質(zhì)是一種相對(duì)論的量子效應(yīng)。如果把自旋的粒子想象成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺，與陀螺的轉(zhuǎn)軸方向類(lèi)似，粒子的自旋也存在著方向?！蹲匀弧氛撐奶剿鞯摹罢w極化”效應(yīng)是一種新的現(xiàn)象。在沒(méi)有整體自旋排列信號(hào)的情況下，他們測(cè)量的φ和k*0介子自旋處于三種狀態(tài)中的每一種的概率都等于三分之一，正如對(duì)于k*0介子的實(shí)驗(yàn)測(cè)量所展示的。但是對(duì)于φ介子，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的信號(hào)，即一種狀態(tài)優(yōu)于其他兩種狀態(tài)(如圖二所示)。

然而，傳統(tǒng)的理論雖能解釋qgp中的lambda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(shí)驗(yàn)結(jié)果。在傳統(tǒng)的機(jī)制下，將夸克水平的自旋極化轉(zhuǎn)換為介子的整體自旋排列得到的效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《自然》論文中新的測(cè)量結(jié)果。近期，中國(guó)的理論核物理團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新的觀點(diǎn)，即qgp內(nèi)強(qiáng)相互作用力的局部漲落可能驅(qū)動(dòng)了φ介子的整體自旋排列。這種新的機(jī)制也考慮了φ和k*0介子之間不同的夸克組分，并解釋了實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到兩者之間的差異。這一理論仍需要更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

相對(duì)論重離子碰撞中夸克物質(zhì)的整體極化效應(yīng)，和自然界中一些現(xiàn)象類(lèi)似。比如地球在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)也在自轉(zhuǎn)，相對(duì)論重離子碰撞產(chǎn)生的夸克物質(zhì)在實(shí)現(xiàn)每秒10的21次量級(jí)的自身轉(zhuǎn)速的同時(shí)，表現(xiàn)出一定的方向性，這種方向性類(lèi)似于地球繞日公轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)出的傾角。

新的實(shí)驗(yàn)研究還在持續(xù)進(jìn)行中，馬余剛院士團(tuán)隊(duì)及其合作者正在研究另一種由同味道夸克-反夸克對(duì)形成的粒子的自旋整體排列：j/ψ粒子的整體極化。如果發(fā)現(xiàn)j/ψ粒子的自旋整體排列，將為強(qiáng)相互作用力的局部漲落的理論解釋增加進(jìn)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(lái)量化強(qiáng)相互作用中的局部漲落強(qiáng)度，為研究qgp中的強(qiáng)相互作用機(jī)制提供了一個(gè)新的可能方向。

按照star國(guó)際大型合作組的要求，論文的作者署名以字母排序。而實(shí)際的主要完成人包含7人，除了復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)的馬余剛院士、陳金輝研究員和周晨升博士后外，還包括布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的唐愛(ài)洪研究員，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的孫旭博士后（現(xiàn)工作在中科院近代物理研究所），肯特州立大學(xué)的declan keane教授和中科院近代物理所的subhash singha研究員。