中國科大在矢量介子自旋物理方面取得重要進(jìn)展

美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的STAR國際合作組(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能核物理組是STAR 國際合作組的成員)，在相對論性重離子碰撞中首次測量到了?矢量介子的自旋取向(spinalignment)[1]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在金核與金核碰撞中產(chǎn)生的?介子相對于反應(yīng)平面方向存在明顯的自旋取向，即自旋取向的值明顯偏離1/3。在碰撞能量低于62 GeV 的碰撞中，結(jié)果的顯著性（統(tǒng)計(jì)置信度）高達(dá)7.4σ。實(shí)驗(yàn)同時(shí)還測量了K*0介子的自旋取向，結(jié)果顯示K*0的自旋取向在誤差范圍內(nèi)與1/3吻合。這是繼STAR 國際合作組成功測量到超子極化效應(yīng)[2]后在高能核自旋物理方面取得的另一個(gè)重大成果，該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)表在Nature上[1]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能核物理理論組王群教授研究團(tuán)隊(duì)的理論預(yù)言[3]，即?介子的自旋取向可能是重離子碰撞中存在極強(qiáng)?矢量場漲落的證據(jù)。

在位于美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論性重離子碰撞機(jī)(RHIC)中，兩束金原子核被加速到接近光速，在對撞的瞬間，原子核內(nèi)部的夸克和膠子的自由度被釋放出來，形成高溫高密度的新物質(zhì)形態(tài)—夸克膠子等離子體(QGP)，為研究粒子之間的強(qiáng)相互作用提供了實(shí)驗(yàn)條件。

由于原子核具有一定的尺寸，因此在非對心核核碰撞中，會(huì)產(chǎn)生垂直于反應(yīng)平面的巨大軌道角動(dòng)量，它以渦旋的形式傳遞到QGP中，通過粒子的自旋軌道耦合，使得粒子沿著角動(dòng)量方向被極化。這被稱為整體極化效應(yīng)，最早是由梁作堂和王新年在2004年提出的[4]，被STAR關(guān)于Λ超子整體極化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]。重離子碰撞中矢量介子的自旋取向，同樣是由梁作堂和王新年在2004年提出的[5]。矢量介子是自旋角動(dòng)量量子數(shù)為1的玻色子，其自旋狀態(tài)可以由一個(gè)3×3的密度矩陣描述，其中的矩陣元ρ00被稱為其自旋取向，表示自旋磁量子數(shù)為0的粒子數(shù)占總粒子數(shù)的比例。由于矢量介子可以有磁量子數(shù)為+1, 0, -1三種狀態(tài)，如果粒子的自旋沒有任何傾向性，那么粒子處于磁量子數(shù)為0的狀態(tài)的概率應(yīng)為1/3，即自旋取向ρ00等于1/3。而STAR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在沿著反應(yīng)面的方向測量時(shí)，?介子的自旋取向明顯高于1/3，這證明存在某種因素破壞了不同自旋狀態(tài)之間的對稱性，使得?介子有更高的幾率處于磁量子數(shù)為0的狀態(tài)。

我校王群教授領(lǐng)導(dǎo)的高能核物理理論研究組，是最早研究矢量介子自旋取向的團(tuán)隊(duì)之一。在組合模型的框架下，矢量介子自旋取向與組分夸克極化之間存在直接的聯(lián)系。在核核碰撞中，夸克可以被QGP中的渦旋場和電磁場極化，然而這些因素導(dǎo)致的自旋取向遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。而王群教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在2019-2020年提出，奇異夸克與反奇異夸克感受到的?矢量場[3]，同樣會(huì)導(dǎo)致?介子的自旋取向偏離1/3。在該團(tuán)隊(duì)最近的工作中[6]，他們構(gòu)建了相對論量子場論模型，給出了?介子自旋取向與?矢量場各個(gè)分量的漲落之間的聯(lián)系，成功的解釋了STAR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

?矢量場是奇異夸克之間的強(qiáng)相互作用的一種有效表述，其形式上類似于普通的電磁場，但是具有與電磁場不同的耦合常數(shù)。在夸克-介子耦合模型中，該場是由非零的奇異夸克流產(chǎn)生的。而在重離子碰撞中，由于奇異夸克存在隨機(jī)漲落，因此?矢量場也存在很強(qiáng)的隨機(jī)漲落。在奇異夸克與反奇異夸克形成?介子的瞬間，它們同時(shí)感受到附近位置的隨機(jī)的?矢量場而產(chǎn)生自旋極化，最終導(dǎo)致?介子的自旋取向。理論結(jié)果顯示，在?介子的靜止系中，?矢量場沿著自旋量子化方向與垂直于該方向的漲落的差異，決定了?介子的自旋取向。在王群教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)最近的工作中[6]，考慮到重離子碰撞形成的QGP的縱向（沿著束流方向）與橫向（垂直于束流方向）膨脹速度的差異，假設(shè)了?矢量場的縱向分量的漲落與橫向分量的漲落不同，將兩者作為參數(shù)可以很好的解釋垂直于反應(yīng)面方向(圖中Out-of-Plane)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖2所示，而且同一組參數(shù)也能很好的解釋碰撞平面內(nèi)(圖中In-Plane)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這意味著，?介子的自旋取向可能是重離子碰撞中存在極強(qiáng)的?矢量場漲落的證據(jù)。

矢量介子自旋取向的研究將有助于人們更深入的理解QGP強(qiáng)子化時(shí)強(qiáng)子自旋是如何形成的，以及強(qiáng)相互作用場在自旋形成過程中所扮演的重要角色。STAR組關(guān)于矢量介子自旋取向的測量，推動(dòng)了高能核物理的發(fā)展，將成為重離子碰撞物理的一個(gè)新的重要前沿方向。

圖1. STAR實(shí)驗(yàn)組關(guān)于?介子與K*0介子的自旋取向的測量結(jié)果[1]，橫軸是重離子碰撞的碰撞能量，縱軸是自旋取向。紅色實(shí)線是STAR的實(shí)驗(yàn)文章引用的王群團(tuán)隊(duì)的理論預(yù)言結(jié)果[3]。

圖2.王群團(tuán)隊(duì)根據(jù)相對論量子場論計(jì)算得到的?介子的自旋取向。五角星表示STAR的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線是理論模型給出的結(jié)果[6]。

王群團(tuán)隊(duì)的研究工作[3,6]的第一作者都是盛欣力博士(2020年在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在是意大利國家核物理實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員)。王群團(tuán)隊(duì)的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。