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2023年01月20日
中国科大在矢量介子自旋物理方面取得重要进展

美国布鲁克海文国家实验室的STAR国际合作组(中国科学技术大学高能核物理组是STAR 国际合作组的成员),在相对论性重离子碰撞中首次测量到了ϕ矢量介子的自旋取向(spinalignment)[1]。实验发现在金核与金核碰撞中产生的ϕ介子相对于反应平面方向存在明显的自旋取向,即自旋取向的值明显偏离1/3。在碰撞能量低于62 GeV 的碰撞中,结果的显著性(统计置信度)高达7.4σ。实验同时还测量了K*0介子的自旋取向,结果显示K*0的自旋取向在误差范围内与1/3吻合。这是继STAR 国际合作组成功测量到超子极化效应[2]后在高能核自旋物理方面取得的另一个重大成果,该实验已经发表在Nature上[1]。该实验结果支持中国科学技术大学高能核物理理论组王群教授研究团队的理论预言[3],即ϕ介子的自旋取向可能是重离子碰撞中存在极强ϕ矢量场涨落的证据。

在位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子碰撞机(RHIC)中,两束金原子核被加速到接近光速,在对撞的瞬间,原子核内部的夸克和胶子的自由度被释放出来,形成高温高密度的新物质形态—夸克胶子等离子体(QGP),为研究粒子之间的强相互作用提供了实验条件。

由于原子核具有一定的尺寸,因此在非对心核核碰撞中,会产生垂直于反应平面的巨大轨道角动量,它以涡旋的形式传递到QGP中,通过粒子的自旋轨道耦合,使得粒子沿着角动量方向被极化。这被称为整体极化效应,最早是由梁作堂和王新年在2004年提出的[4],被STAR关于Λ超子整体极化的实验验证[2]。重离子碰撞中矢量介子的自旋取向,同样是由梁作堂和王新年在2004年提出的[5]。矢量介子是自旋角动量量子数为1的玻色子,其自旋状态可以由一个3×3的密度矩阵描述,其中的矩阵元ρ00被称为其自旋取向,表示自旋磁量子数为0的粒子数占总粒子数的比例。由于矢量介子可以有磁量子数为+1, 0, -1三种状态,如果粒子的自旋没有任何倾向性,那么粒子处于磁量子数为0的状态的概率应为1/3,即自旋取向ρ00等于1/3。而STAR的实验结果显示,在沿着反应面的方向测量时,ϕ介子的自旋取向明显高于1/3,这证明存在某种因素破坏了不同自旋状态之间的对称性,使得ϕ介子有更高的几率处于磁量子数为0的状态。

我校王群教授领导的高能核物理理论研究组,是最早研究矢量介子自旋取向的团队之一。在组合模型的框架下,矢量介子自旋取向与组分夸克极化之间存在直接的联系。在核核碰撞中,夸克可以被QGP中的涡旋场和电磁场极化,然而这些因素导致的自旋取向远小于实验测量结果。而王群教授领导的团队在2019-2020年提出,奇异夸克与反奇异夸克感受到的ϕ矢量场[3],同样会导致ϕ介子的自旋取向偏离1/3。在该团队最近的工作中[6],他们构建了相对论量子场论模型,给出了ϕ介子自旋取向与ϕ矢量场各个分量的涨落之间的联系,成功的解释了STAR的实验结果。

ϕ矢量场是奇异夸克之间的强相互作用的一种有效表述,其形式上类似于普通的电磁场,但是具有与电磁场不同的耦合常数。在夸克-介子耦合模型中,该场是由非零的奇异夸克流产生的。而在重离子碰撞中,由于奇异夸克存在随机涨落,因此ϕ矢量场也存在很强的随机涨落。在奇异夸克与反奇异夸克形成ϕ介子的瞬间,它们同时感受到附近位置的随机的ϕ矢量场而产生自旋极化,最终导致ϕ介子的自旋取向。理论结果显示,在ϕ介子的静止系中,ϕ矢量场沿着自旋量子化方向与垂直于该方向的涨落的差异,决定了ϕ介子的自旋取向。在王群教授领导的团队最近的工作中[6],考虑到重离子碰撞形成的QGP的纵向(沿着束流方向)与横向(垂直于束流方向)膨胀速度的差异,假设了ϕ矢量场的纵向分量的涨落与横向分量的涨落不同,将两者作为参数可以很好的解释垂直于反应面方向(图中Out-of-Plane)的实验数据,如图2所示,而且同一组参数也能很好的解释碰撞平面内(图中In-Plane)的实验数据。这意味着,ϕ介子的自旋取向可能是重离子碰撞中存在极强的ϕ矢量场涨落的证据。

矢量介子自旋取向的研究将有助于人们更深入的理解QGP强子化时强子自旋是如何形成的,以及强相互作用场在自旋形成过程中所扮演的重要角色。STAR组关于矢量介子自旋取向的测量,推动了高能核物理的发展,将成为重离子碰撞物理的一个新的重要前沿方向。

图1. STAR实验组关于ϕ介子与K*0介子的自旋取向的测量结果[1],横轴是重离子碰撞的碰撞能量,纵轴是自旋取向。红色实线是STAR的实验文章引用的王群团队的理论预言结果[3]。

图2.王群团队根据相对论量子场论计算得到的ϕ介子的自旋取向。五角星表示STAR的实验数据,实线是理论模型给出的结果[6]。

王群团队的研究工作[3,6]的第一作者都是盛欣力博士(2020年在中国科学技术大学获得博士学位,现在是意大利国家核物理实验室的博士后研究员)。王群团队的研究工作得到了国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项的支持。

参考文献

[1] STAR Collaboration,Nature (online), https://doi.org/10.1038/s41586-022-05557-5.

[2] STAR Collaboration, Nature 548 (2017) 62-65.

[3] Xin-Li Sheng, Lucia Oliva, Qun Wang, Phys. Rev. D 101 (2020) 9,096005.

[4] Zuo-Tang Liang, Xin-Nian Wang, Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 102301.

[5] Zuo-Tang Liang,Xin-Nian Wang, Phys. Lett. B 629 (2005) 20-26.

[6] Xin-Li Sheng, Lucia Oliva,et al., arXiv:2206.05868.


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05557-5

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.096005


(物理学院近代物理系


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