研究人員首次觀測到粒子整體自旋排列現象

近日，中國科學院院士、復旦大學馬余剛教授團隊和中國科學院近代物理研究所團隊，與合作者首次在RHIC-STAR國際合作的重離子碰撞實驗中觀測到反應末態粒子的整體自旋排列現象，該成果或為研究夸克—膠子等離子體（QGP）中的強相互作用提供一個新方向。相關論文發表于《自然》。

自旋是基本粒子所具有的內稟角動量，其本質上是一種相對論的量子效應。如果把自旋的粒子想象成一個旋轉的陀螺，與陀螺的轉軸方向類似，粒子的自旋也存在著方向。粒子自旋的方向并非簡單三維的，而是量子化的，探測器無法直接探測到粒子的自旋方向信息。因此，科學家需要利用可衰變粒子的自旋與其衰變產物動量的關聯，來提取粒子自旋方向信息。

此次研究中，研究團隊測量了自旋為1的Φ介子和K^＊^0介子的整體自旋排列。研究人員跟蹤這些粒子的衰變產物相對于反應平面法線方向的角分布，并把它轉換為母粒子處于三種自旋狀態的概率，以此實現母粒子的自旋排列密度矩陣的測量。

在沒有整體自旋排列信號時，研究團隊測量的粒子自旋處于三種狀態中每一種的概率都是一致的，正如論文展示的K^＊^0介子的實驗結果。但對于Φ介子，實驗數據顯示，其自旋處于某一種狀態的概率高于其他兩種狀態，其自旋排列信號隨著碰撞能量的降低而增大，自旋更傾向于一個特定的狀態。這意味著該實驗首次觀測到粒子的自旋整體排列現象。

在高溫高密核物質中引入強相互作用力的局部漲落理論能夠較好地定性解釋上述現象。結合STAR實驗組最新的測量結果和該實驗組2017年的數據，研究團隊的工作確定了高溫高密核物質“整體極化”新效應，實證了由中國理論核物理學家在2005年提出的超子和介子的整體自旋極化理論，提供了一個研究強相互作用的新方向。