“自旋”是物理学中最基本的物理量之一。微观物质世界中，基本粒子的自旋特性令物理学家着迷，比如：当粒子处于人类在实验室中创造的最高温度、最大涡度、最强磁场环境下，它们自旋的方向会是什么样的？
科学家们最近探索了这个问题——利用位于美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC），STAR国际合作组的科学家们首次在重离子碰撞实验中观测到了反应末态粒子的整体自旋排列（global spin alignment）现象。
图 夸克胶子等离子体中的phi介子。科学家首次在重离子碰撞实验中观测到phi介子的整体自旋排列信号。图源| BNL
这项研究于1月18日在线发表于《自然》（Nature）杂志上，测量结果为研究夸克胶子等离子体中的强相互作用提供了一个新的可能方向。
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大爆炸与“小爆炸”
目前被广为接受的宇宙大爆炸(Big Bang)理论认为，我们的宇宙诞生于137亿年前的一个致密炽热的奇点。在大爆炸几个微秒之后的早期宇宙里，构成当今宇宙主要可见物质质量的质子、中子还没有诞生，夸克和胶子充满整个宇宙，犹如一锅稠密炽热的汤，这种物质状态被称为夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma, QGP)。
今天的宇宙已经冷却到很低的温度，但物理学家们仍可以利用高能重离子碰撞实验来重现早期宇宙的物质形态。所以人们也把高能重离子碰撞形象地称之为“小爆炸”（Little Bang）。
图 美国相对论重离子对撞机（RHIC）图源 | BNL
“核子重如牛，对撞生新态”。高能重离子碰撞实验能产生温度高达几万亿度的核物质，比太阳核心温度还高一万倍，这是人类目前在实验室中创造的温度最高的物质。在这种与早期宇宙相似的极端条件下，通常禁闭在质子、中子等强子中的夸克、胶子被解放出来，形成夸克胶子等离子体QGP。
图 RHIC通过将重离子（金核）加速到光速的99.995%，并使其碰撞来产生高温高密度的核物质 图源| BNL
在过去的二十多年中，物理学家们在实验室中进行了数以百亿次的重离子对撞，产生出QGP并发现了它的一系列非常有趣的性质。
比如，QGP是一种理想的流体，它的粘滞系数与熵密度之比是我们目前所知道的流体中最小的，这些性质有助于我们理解宇宙的演化过程。非对心的重离子对撞携带着极高的系统角动量，使得整个QGP系统“旋转”起来，形成极高的涡旋场。此外，在这种碰撞中还存在极强的磁场（主要由碰撞早期高速运动的带正电旁观者核子产生）。近年来，科学家们对碰撞产生的极高涡旋场、极强磁场产生了浓厚的研究兴趣。
图 非对心的重离子碰撞示意图。图源 | BNL
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“旋转”的粒子
自旋是所有基本粒子所具有的内禀角动量，其本质是一种相对论的量子效应。粒子可分为自旋角动量是约化普朗克常数的半整数倍（1/2, 3/2…）的费米子以及整数倍(0, 1, 2…) 的玻色子。两个费米子不能占据相同的量子态，这被称为泡利不相容原理；而两个玻色子可以占据相同的量子态。
我们可以把自旋的粒子想象成一个旋转的陀螺，与陀螺的转轴方向类似，粒子的自旋也存在着方向。当然，就如粒子自旋角动量的大小是量子化的，其方向也是量子化的。物理学家们无法测定粒子指向哪一个具体的3维方向，只能知道相对于某个特定的方向（例如外磁场方向、反应平面方向），粒子处于若干自旋方向量子态中的哪一个。
图：STAR (Solenoidal Tracker At RHIC)谱仪是RHIC上的一个实验谱仪。图源| BNL
科学家可以通过测量末态粒子的自旋方向来研究QGP涡流相关的性质。2017年，STAR国际合作组在《自然》杂志上发表封面文章，宣布在重离子碰撞中首次观测到QGP中的整体极化（global polarization）现象，碰撞产生的Lambda超子相对于碰撞反应平面存在明显的自旋极化。
这项测量结果可以用来直接描述非对心碰撞产生的QGP涡度大小，并证明了相对论重离子碰撞产生了目前实验室中涡度最大的流体，其涡度可以达到，远大于目前已知的其他各种流体，例如太阳表面流、大尺度陆地大气层流、木星上的大红斑等等。
整体极化效应的发现，使人们对重离子碰撞产生的强相互作用物质的精细的流体运动特征有了全新的认识，并推动了QGP自旋物理研究的开展，成为重离子碰撞物理的一个重要前沿方向。
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首次观测到重离子碰撞中的整体自旋排列现象
最近，STAR合作组的科学家们更进一步测量了在金金碰撞中phi介子和K*0介子的自旋方向信息，并首次观测到了重离子碰撞中的整体自旋排列现象。
该研究的物理分析工作由中科院近代物理所、复旦大学、美国布鲁克海文国家实验室、肯特州立大学、伊利诺伊大学芝加哥分校的科研人员合作完成。
自旋为1/2的Lambda粒子有两个可能的自旋方向量子态，而phi介子（由质量相等的奇异夸克和反奇异夸克组成）和K*0介子（由下夸克和反奇异夸克组成）的自旋为1，它们的自旋方向有三个可能的量子态。如果用旋转的地球比喻重离子碰撞产生的QGP涡旋，那么Lambda粒子的自旋可能朝北或者朝南，分别用1/2和-1/2表示；而phi介子和K*0介子的自旋可能朝向北、赤道、南三个方向，分别用1、0、-1表示。
图 STAR实验中phi介子和K*0介子重建示意图 图源| Nature
科研人员通过测量这两种介子的衰变产物相对于碰撞系统反应平面法线方向的分布，提取它们处于三个不同自旋状态的概率。如果没有特殊的物理机制，phi介子和K*0介子自旋处于每个方向的概率应该是相同的。
测量结果表明，在现有统计下未能观测到K*0介子的整体自旋排列信号，而phi介子则表现出显著的整体自旋排列信号。并且phi介子的自旋排列信号随着碰撞能量的降低而增大，这意味着phi介子的自旋更倾向于一个特定的状态。
图 重离子碰撞中phi介子和K*0介子的自旋排列示意图。图源| Nature
令科学家们感到意外的是，传统的理论模型（例如在碰撞系统中引入涡流、磁场以及强子碎裂等因素）均无法解释此实验中观测到的phi介子的整体自旋排列现象。
近期，理论物理学家通过在QGP中引入强相互作用的局部涨落，定性地解释了实验中观测到的末态粒子自旋排列现象。值得一提的是，在该理论中对phi介子的整体自旋排列信号起主要贡献的是夸克层级的自旋轨道角动量耦合效应。该效应在解释原子核的壳层结构等现象中起到了关键作用。
这一理论仍需更多的实验结果进行验证。如果这一理论是正确的，那么粒子自旋排列的测量结果将帮助科学家们研究强相互作用中的局部涨落有多强，为研究QGP中的强相互作用机制提供了一个新的可能方向。
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展望
RHIC的STAR合作组和LHC的ALICE合作组的科学家们正在研究另外一个质量更大的介子——J/Psi粒子（由粲夸克和反粲夸克组成）在高能碰撞中的自旋排列。如果J/Psi粒子的自旋排列存在特定的倾向，那么它将表明自旋排列是在碰撞早期形成的，同时也会是上述强相互作用模型的一个有力支撑，为利用粒子的自旋排列信号来研究QGP中强相互作用的涨落提供验证。
图 正在广东惠州建设的强流重离子加速器装置。图源| 近代物理所
我国正在建设的大科学装置——强流重离子加速器装置(HIAF)，将为科学家提供系统性测量低温高密区域的超子整体自旋极化以及矢量介子整体排列信号的实验平台。这些研究将帮助人们进一步理解核物质的强相互作用机制、涡流效应以及磁场效应等，为物理学家探寻广漠宇宙的深层秘密提供全新的视角。
论文链接：
作者| 孙旭 刘芳
#参考文献：
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4. 高建华, 梁作堂, 王 群. 宇宙“小爆炸”中的“华尔兹”——高能重离子碰撞中的自旋极化[J]. 现代物理知识, DOI:10.13405/j.cnki.xdwz.2019.01.006
5. X.-L. Sheng, L. Oliva & Q. Wang, What can we learn from the global spin alignment of φ mesons in heavy-ion collisions? Phys. Rev. D 101, 096005 (2020) [Phys. Rev. D 105, 099903 (2022).]