重離子碰撞中矢量介子自旋對準的第一個證據

2020-12-06 量子認知

大型離子對撞機實驗，英語：A Large Ion Collider Experiment，縮寫：ALICE，是歐洲核子研究組織（CERN）所屬大型強子對撞機的五個探測器實驗之一，是一種重離子碰撞（heavy-ion collisions）檢測器，旨在檢查極端能量密度下的強相互作用物質的物理性質，所產生的溫度和能量密度會非常大，足以產生夸克-膠子等離子體，這種物質中的夸克和膠子將會解除夸克禁閉。

矢量介子，英語：vector meson，在高能物理中指具有總自旋1和奇數奇偶校驗的介子（通常記為JP = 1-）。 矢量介子自1960年代以來就在實驗中被發現，並且在質量的光譜模式中眾所周知。

矢量介子與偽矢量介子（pseudovector mesons）形成對比，後者也具有自旋1，但具有偶數奇偶校驗。 向量介子和偽向量介子的區別還在於，向量介子的光譜傾向於顯示構成夸克風味的幾乎純淨的狀態，而偽向量介子和標量介子則傾向於表示為混合態的複合物。

夸克是構成重子（質子、中子等）以及介子（π、K等）的基本單元，而膠子則傳遞夸克之間的相互作用，使它們相互結合，形成各種核子和介子，或者使它們相互分離、發生衰變等。多年來量子色動力學已經收集了龐大的實驗證據。

量子色動力學，英語：Quantum Chromodynamics，簡稱QCD，是一個描述夸克、膠子之間強相互作用的標準動力學理論，它是粒子物理標準模型的一個基本組成部分。

ALICE實驗的主要目標之一是對重核之間的高能碰撞過程中的夸克-膠子等離子體形式的性質有更好地了解。該實驗最近引起了許多有趣的觀察，這些觀察發表在最近的《物理評論快報》上的一篇論文中概述，這些觀察提供了相對論重離子碰撞中自旋軌道角動量相互作用的第一個證據。

ALICE合作發言人、盧西亞諾·穆薩（Luciano Musa）表示，「當重核之間的高能碰撞不是中心的（即不是正面碰撞）時，它們會在形成的等離子體上賦予非常大的角動量，估計約為10^7 ，這相當於每秒10^21轉。」 「簡單來說，這形成了極快旋轉的夸克和膠子小滴。另一方面，夸克具有稱為自旋的量子力學性質，類似於繞軸旋轉。」

在重離子碰撞中形成的夸克-膠子等離子體的大角動量可以在某種程度上轉移到各個夸克中，使其排列方向一致。在其他情況下，例如在電子之間，也有自旋和圍繞原子核「旋轉」的電子，也可以觀察到這種稱為自旋軌道相互作用的量子力學效應。

「以前使用幾種碰撞系統研究了自旋-軌道相互作用，但是在大型強子對撞機中，鉛核碰撞產生的等離子體的大角動量為尋找無約束夸克系統中的這種基本量子力學效應提供了獨特的機會。」

根據理論預測，夸克-膠子等離子體中的自旋軌道相互作用應使夸克的自旋對準，其自旋量子數為1/2。然後，來自等離子體的夸克應成對結合以形成具有自旋為0（即標量介子），其中兩個夸克具有相反的自旋方向，或自旋為1（即矢量介子）的介子，其中兩個夸克具有相同的旋轉方向。

預測表明，夸克自旋的對齊將導致矢量介子自旋的對齊。 ALICE合作組織已經觀察到了這種效應，它收集了中性K*和φ矢量介子的衰變產物中自旋對準的第一個證據。

穆薩解釋說：「我們通過測量矢量介子的衰變產物的角度分布來研究這種自旋對準。」 「對於K*介子，看到了最強的信號，並且通過缺少自旋為0的中性K介子的類似信號，從而證實了該信號是由自旋對準誘導的。目前的測量是朝著實驗邁出的一步在夸克-膠子等離子體的相對論——量子色動力學物質中建立自旋軌道相互作用。」

ALICE合作研究小組首次發布與重離子碰撞中矢量介子大自旋對準的理論預測相符的證據。這一測量是在夸克-膠子等離子體研究中的重要成就，支持了這種等離子體具有空前高的角動量的初始渦旋的預測，從而通過自旋軌道相互作用導致夸克自旋對準。從而提供了有意義的見解，可為研究夸克-膠子等離子體特性的未來研究提供參考。

ALICE檢測器目前正在進行重大升級，到2022年，當CERN的LHC數據收集活動再次開始時，它將能夠記錄的Pb-Pb碰撞樣品是迄今為止收集的Pb-Pb碰撞樣品的50倍，數據將比現有數據精確得多，因此可能導致有關夸克-膠子等離子體的新發現。

研究人員表示，「新的研究發現帶電的K*的磁矩比中性K*大7倍，甚至可以直接觀察到被帶電粒子的旋轉的夸克膠子等離子體中產生的非常大的磁場的影響。」 「該磁場估計高達10^14特斯拉，但會在極短的10^（-23）秒內消失！此外，中性K*自旋取向與Λ超子所測量的極化相比令人驚訝地大。因此，對這種效應進行更精確的進一步研究將非常有趣，並且可能會從不同的角度研究與同一物理機制有關的其他效應。」

參考：Evidence of Spin-Orbital Angular Momentum Interactions in Relativistic Heavy-Ion Collisions, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.012301

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