近日，中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)馬余剛教授團(tuán)隊和中國科學(xué)院近代物理研究所團(tuán)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(yīng)末態(tài)粒子的整體自旋排列現(xiàn)象，該成果或為研究夸克—膠子等離子體(QGP)中的強(qiáng)相互作用提供一個新方向。相關(guān)論文發(fā)表于《自然》。

自旋是基本粒子所具有的內(nèi)稟角動量，其本質(zhì)上是一種相對論的量子效應(yīng)。如果把自旋的粒子想象成一個旋轉(zhuǎn)的陀螺，與陀螺的轉(zhuǎn)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(xué)家需要利用可衰變粒子的自旋與其衰變產(chǎn)物動量的關(guān)聯(lián)，來提取粒子自旋方向信息。

此次研究中，研究團(tuán)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(chǎn)物相對于反應(yīng)平面法線方向的角分布，并把它轉(zhuǎn)換為母粒子處于三種自旋狀態(tài)的概率，以此實現(xiàn)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(tuán)隊測量的粒子自旋處于三種狀態(tài)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(jié)果。但對于Φ介子，實驗數(shù)據(jù)顯示，其自旋處于某一種狀態(tài)的概率高于其他兩種狀態(tài)，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(tài)。這意味著該實驗首次觀測到粒子的自旋整體排列現(xiàn)象。

在高溫高密核物質(zhì)中引入強(qiáng)相互作用力的局部漲落理論能夠較好地定性解釋上述現(xiàn)象。結(jié)合STAR實驗組最新的測量結(jié)果和該實驗組2017年的數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊的工作確定了高溫高密核物質(zhì)“整體極化”新效應(yīng)，實證了由中國理論核物理學(xué)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(qiáng)相互作用的新方向。