数据揭示了粒子自旋排列的惊人偏好
如果选择三种不同的“自旋”方向， 相对论重离子对撞机 (RHIC) 碰撞产生的某些粒子似乎具有偏爱。正如 RHIC 的 STAR 合作刚刚在 《自然》杂志 上发表的一篇论文中所述，结果揭示了称为 phi 介子的粒子在全局自旋排列中的偏好。传统的机制——例如磁场强度或粒子碰撞中产生的物质的漩涡——无法解释这些数据。但是一个包含核强力局部波动的新模型可以。
“或许，强大的力量波动是缺失的因素。以前我们没有意识到强大的力量可以通过这种方式影响粒子自旋，”参与分析的布鲁克海文 STAR 物理学家 Aihong Tang 说。
STAR 物理学家说，这种解释仍有争议，需要进一步验证。但如果它被证明是真的，“这些测量为我们提供了一种方法来衡量强力的局部波动有多大。它们提供了从不同角度研究强力的新途径，”唐说。
解锁强大的力量
顾名思义，强力是自然界四种基本力中最强的一种。它是将原子的组成部分——构成原子核的质子和中子，以及 它们的 内部组成部分、 夸克和胶子——结合在一起的原因。
RHIC 是能源部科学办公室的一个核物理研究用户设施，它的建造在很大程度上是为了让科学家们可以研究这种力。他们通过将以接近光速的速度在相反方向围绕 RHIC 双加速器环加速的重原子核粉碎在一起来做到这一点。正面碰撞“融化”了单个质子和中子的边界，释放了通常被限制在其中的夸克和胶子，从而产生了夸克-胶子等离子体 (QGP)。STAR 拍摄快照并收集有关从这些粉碎中出现的粒子的详细数据，以便科学家们可以了解夸克和胶子如何相互作用。
破译自旋排列
STAR 的早期测量表明，当金核以某种偏离中心的方式碰撞时，掠过的撞击会使夸克和胶子的热汤 旋转。科学家通过追踪其对碰撞产生的某些粒子自旋的影响来测量旋转的夸克-胶子等离子体的“涡度”。
您可以将自旋视为类似于地球这样具有南北两极的行星的自转。对于这项早期研究中的粒子(λ 超子)，它们的自旋轴与每次偏心碰撞中产生的角动量的对齐程度是衡量 QGP 漩涡度的直接指标。
最近的 STAR 分析试图测量不同类型粒子的自旋排列，包括当前Nature 论文 中报道 的 phi 和 K* 0介子。对于这些粒子，自旋不仅有两个方向(“北”和“南”)，还有 三个 可能的方向。
与之前的研究一样，STAR 物理学家通过跟踪衰变产物相对于垂直于碰撞核反应平面的方向的分布来测量这些粒子的自旋排列。对于 phi 和 K* 0 介子，科学家们将这些测量结果转化为母粒子处于三种自旋状态之一的概率。
“如果这三种状态中的每一种状态的概率都等于三分之一，那么这意味着粒子不会偏爱这三种自旋排列状态中的任何一种，”STAR 物理学家孙旭解释说，他曾是该大学的博士后研究员伊利诺伊大学芝加哥分校，最近加入中国现代物理研究所，担任研究员。
这基本上就是科学家们发现的 K* 0 粒子——没有偏好。但是对于 phi 介子来说，有一个强烈的信号表明一种状态优于其他两种状态。
Sun 说：“大自然以某种方式决定了 phi 介子偏爱选择其中一种状态。”
解释偏好
Chensheng Zhou 从 2016 年开始与 Tang 一起研究这些测量，当时他还是中国复旦大学的一名研究生，他在 2017 年石溪大学的一次会议上介绍了初步发现。那次演讲激发了理论家们进行各种尝试用常规机制解释这些发现——包括涡度、磁场、碎片等。当 STAR 合作者现代物理研究所的 Subhash Singha 在 2019 年(当时他是肯特州立大学的博士后)和 2022 年的会议上讨论了这一结果时，好奇心不断增长。
与此同时，STAR 物理学家检查了他们的分析，进行了新的分析，并降低了结果的不确定性。
“我们的结果经得起这种审查，但数字仍然不合时宜，”唐说。仅使用传统机制来描述 phi 介子的全局自旋排列将导致一个值低于科学家在 STAR 测量的值。
理论家们最近提出了这样的想法，即夸克-胶子等离子体中强力的局部波动可能会驱动 phi 介子明显的自旋排列偏好。了解 phi 和 K* 0 介子的不同夸克分量可能有助于解释这是如何发生的——并提供一种进行进一步测试的方法。
能源部劳伦斯伯克利国家实验室的理论家 Xin-Nian Wang 解释说，每个 phi 介子都由同一“味”族(奇异和反奇异)的夸克和反夸克组成。强力效应往往会叠加并在同一方向上影响这些相同味道的粒子。
另一方面，K* 0介子是由不同味的夸克-反夸克对组成的(向下和反奇异)。“有了这种味道的混合，强大的力量指向不同的方向，所以它的影响不会像在 phi meson 中那样明显，”Wang 说。
为了验证这个想法，STAR 物理学家计划研究另一种由同味夸克构成的介子——J/psi 粒子(由魅力夸克和反魅力夸克组成)的整体自旋排列。
“这是 STAR 2023 年和 2025 年 RHIC 运行的待办事项清单，”Sun 说。
找到 J/psi 粒子的全局自旋排列偏好将增加对强力解释的支持。它还将验证使用这些粒子的全局自旋排列作为研究 QGP 中局部强力波动的方法的方法。
“即使经过 22 年多的运营，RHIC 仍通过让我们惊讶的新发现继续加深我们对自然的理解，”Tang 说。
导致这些结果的分析的其他贡献者包括：Jinhui Chen(复旦大学)、Declan Keane(肯特州立大学)和 Yugang Ma(复旦大学)。
这项研究由能源部科学办公室 (NP)、国家科学基金会以及科学论文中列出的一系列国际组织和机构资助。STAR 团队使用 布鲁克海文实验室 科学数据和计算中心、能源部劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 和 开放科学网格 联盟的计算资源。
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