最近,由包括中国科学技术大学学者在内的中国科学家参加的美国布鲁克海文国家实验室STAR国际合作组,在重离子碰撞中首次观测到了夸克胶子等离子体的“整体极化”(global
polarization),发现碰撞产生的Lambda超子相对于碰撞反应平面存在明显的自旋极化。STAR国际合作组的该研究成果于8月3日作为封面发表在《自然》杂志上[Nature548,62-65]。在这个实验中,中国科大研制的新型MRPC-TOF探测器大大提高了粒子分辨率和实验精度,最终使STAR科学家在大噪声背景中捕捉到了整体极化效应的微弱信号,实现了突破。

[本站讯]8月3日,由山大学者在内的中国科学家参加的美国布鲁克海文国家实验室RHIC-STAR国际合作组最新研究成果作为封面文章发表在《Nature》杂志上。该研究在重离子碰撞中首次观测到了夸克胶子等离子体(QGP)的“整体极化”(global
polarization),发现碰撞产生的Lambda超子相对于碰撞反应平面存在明显的自旋极化。QGP“整体极化”理论最早由山东大学梁作堂教授以及王教授于2004年提出,论文发表在美国《物理评论快报》(Phys.
Rev. Lett. 94,
102301)上,开创了QGP围绕自旋自由度相关物理研究的新方向。STAR实验组发表在《Nature》的实验结果证实了该论文的预言。

最近,由包括中国科学技术大学学者在内的中国科学家参加的美国布鲁克海文国家实验室STAR国际合作组,在重离子碰撞中首次观测到了夸克胶子等离子体的“整体极化”(global
polarization),发现碰撞产生的Lambda超子相对于碰撞反应平面存在明显的自旋极化。STAR国际合作组的该研究成果于8月3日作为封面发表在《自然》杂志上[Nature
548,62-65]。在这个实验中,中国科大研制的新型MRPC-TOF探测器大大提高了粒子分辨率和实验精度,最终使STAR科学家在大噪声背景中捕捉到了整体极化效应的微弱信号,实现了突破。

QGP是大爆炸之后的早期宇宙的状态,它是由自由的亚原子粒子组成的体系。在过去二十年里,物理学家们利用美国布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子对撞机和欧洲核子中心的大型强子对撞机进行高能原子核碰撞实验,在实验室中产生出QGP并研究其物理性质。最近十年的实验结果表明,这种新物质状态是实验室中产生的温度最高、最不透明和最接近完美的流体。

位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸,产生类似于早期宇宙的夸克胶子物质形态,被称为夸克胶子等离子体(QGP),已经被高能重离子碰撞实验所证实,是当代高能核物理研究的最前沿。2004年,梁作堂教授和王教授发现,非对心重离子碰撞过程中参与反应的初态系统具有巨大的相对于碰撞反应面的轨道角动量,必然导致一系列重要可测效应,这是研究轨道量子色动力学(QCD)角动量与极化效应的重要窗口。他们建立起由动量梯度到夸克极化转移的基于QCD的计算方法,对产生的夸克系统的极化做了计算,证明了经过相互作用,这些轨道角动量可以转化成产生出的QGP极化,首次提出了“QGP整体极化(global
polarization)”的思想,开启了QGP围绕自旋自由度相关物理的研究,“global
polarization”成为该领域的一个专用名词。STAR的实验结果证实了QGP整体极化的存在,并且是迄今为止唯一一个实验证明QGP流体具有超高的涡旋度,比之前研究发现在纳米尺度下产生的最高涡旋度的液氦量子超流体要高十几个数量级。现任STAR国际合作组发言人表示:“该理论的创新和实验结果的发现是近几年本领域的最重要的突破,对相对论量子尺度下流体涡旋度(vorticity)的研究有深远的物理意义。”

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原子核有一定大小,在高能非对心原子核碰撞中会产生沿着事例平面法向的巨大角动量。在碰撞中心区会产生高温高密度的QGP流体,非对心原子核碰撞产生的巨大角动量会以流体涡旋的形式传递到QGP中。这些流体涡旋可以看做是局域的轨道角动量,自旋轨道耦合效应使QGP中有自旋的粒子极化。这种关于事例平面的极化效应叫做整体极化效应,最初是由中国科学家梁作堂和王新年在2004年提出的。整体极化效应可以通过测量Lambda超子衰变到质子和pi介子测到。衰变产生的质子沿着Lambda超子的自旋方向飞出,通过记录分析这些质子的轨迹,研究人员可以测到Lambda超子的极化状态。RHIC-STAR国际合作组在2007年就尝试在碰撞能量为200GeV时测量Λ超子的整体极化效应,但是结果为零。最近,在RHIC能量扫描的较低碰撞能量区间的金核与金核碰撞实验中,STAR国际合作组首次观测到Lambda超子的整体极化效应。据此推断,QGP流体的局域旋转角速度可达到每秒10的21次方次,这是迄今为止在宇宙中观察到的旋转最快的物质状态。

STAR国际合作组由来自14个国家54家科研单位的500多名研究人员组成,山东大学于2008年成为STAR国际合作组的成员,由徐庆华教授组建课题组,一直致力于超子极化在内的自旋物理分析工作,是在RHIC装置进行Lambda超子测量的少数几个实验组之一,并于2009年完成质子—质子反应中Lambda超子自旋转移的首次测量。与超子整体极化测量手段类似,课题组利用了超子衰变后产物的角分布和超子自旋的关联来探测部分子在质子内部的分布,并用4米x4米的大型桶状时间投影室径迹探测器(TPC)观测和重建Lambda超子衰变。除了山东大学之外,中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、清华大学、华中师范大学等高校和科研机构也加入了STAR中国合作组。

STAR国际合作组由来自14个国家的54家科研单位的500余名研究人员组成。中国科大的实验高能物理团队是STAR国际合作组的重要研究力量,做出了很多具有世界影响力的研究工作。STAR合作组未来将继续开展Lambda超子整体极化的更精细测量,中国科大、布鲁克海文国家实验室和俄亥俄州立大学等STAR成员单位正合作升级前向事例平面探测器,通过美国能源部、中国科技部以及国家自然科学基金委的资助,将建成高颗粒度高分辨率的事例平面探测器,在RHIC束流能量扫描二期运行期间投入使用,预期将提高事例平面分辨率约1倍(因此极化测量误差减小1倍),同时承担端盖飞行时间探测器升级。这些探测器的升级改造使更细致和更深入地研究超子整体极化效应成为可能。

STAR实验对QGP整体极化的证实迅速推动了QGP自旋物理研究的开展,成为重离子碰撞物理的一个重要前沿方向,国际上大批学者也相继从不同的方面开展了大量的研究工作。山东大学STAR实验研究组于2014年开始参加STAR实验组大装置的时间投影室径迹探测器(iTPC)升级计划,这是RHIC第二期能量扫描计划最重要的探测器升级项目。该项目得到国家基金委重点国际合作项目和科技部973项目的部分资助,并承担制作时间投影室丝室探测器的核心部件。iTPC探测器升级将拓展粒子测量的接收度并提高用于粒子鉴别的能量损失的精度,对包括整体极化在内的QGP新物质态的性质,及探测QCD相变并寻找相变临界点的实验观测有不可或缺的作用。

中国科大教授王群领导的中国科大高能核物理理论研究组是最早研究整体极化效应的团队之一。王群在2017年2月受邀在美国芝加哥举办的高能核物理领域规模最大和最重要的夸克物质国际大会上做关于《重离子碰撞整体极化效应》的大会报告,也是在该次会议上作大会报告的仅有的两位来自国内的学者之一。王群与他指导的博士庞龙刚(王群研究组2012博士毕业)以及合作者提出了通过测量超子极化关联函数来探测夸克胶子等离子体的流体涡旋性质的设想,发表在《物理评论快报》上[Phys.Rev.Lett.117,192301],这篇文章也被此次发表在《自然》上的文章引用。

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图1.Lambda超子由uds夸克组成,带有1/2自旋。

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图2.关于Lambda极化的测量数据。纵轴是极化度,横轴是重离子碰撞的碰撞能量。

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