最近，由包括中国科学技术大学学者在内的中国科学家参加的美国布鲁克海文国家实验室STAR国际合作组，在重离子碰撞中首次观测到了夸克胶子等离子体（QGP）的“整体极化”（global　polarization），发现碰撞产生的Lambda超子相对于碰撞反应平面存在明显的自旋极化。STAR国际合作组的该研究成果于8月3日作为封面发表在《自然》杂志上[Nature 548, 62-65 (2017)]。在这个实验中，中国科大研制的新型MRPC-TOF探测器大大提高了粒子分辨率和实验精度，最终使STAR科学家在大噪声背景中捕捉到了整体极化效应的微弱信号，实现了突破。

 

QGP是大爆炸之后的早期宇宙的状态，它是由自由的亚原子粒子组成的体系。在过去二十年里，物理学家们利用美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论性重离子对撞机(RHIC)和欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)进行高能原子核碰撞实验，在实验室中产生出QGP并研究其物理性质。最近十年的实验结果表明，这种新物质状态是实验室中产生的温度最高、最不透明和最接近完美的流体。

 

原子核有一定大小，在高能非对心原子核碰撞中会产生沿着事例平面法向的巨大角动量。在碰撞中心区会产生高温高密度的QGP流体，非对心原子核碰撞产生的巨大角动量会以流体涡旋的形式传递到QGP中。这些流体涡旋可以看做是局域的轨道角动量，自旋轨道耦合效应使QGP中有自旋的粒子极化。这种关于事例平面的极化效应叫做整体极化效应，最初是由中国科学家梁作堂和王新年在2004年提出的。整体极化效应可以通过测量Lambda超子衰变到质子和pi介子测到。衰变产生的质子沿着Lambda超子的自旋方向飞出，通过记录分析这些质子的轨迹，研究人员可以测到Lambda超子的极化状态。RHIC-STAR国际合作组在2007年就尝试在碰撞能量为200 GeV时测量Λ超子的整体极化效应，但是结果为零。最近，在RHIC能量扫描的较低碰撞能量区间的金核与金核碰撞实验中，STAR国际合作组首次观测到Lambda超子的整体极化效应。据此推断，QGP流体的局域旋转角速度可达到每秒10的21次方次，这是迄今为止在宇宙中观察到的旋转最快的物质状态。

 

STAR国际合作组由来自14个国家的54家科研单位的500余名研究人员组成。中国科大的实验高能物理团队是STAR国际合作组的重要研究力量，做出了很多具有世界影响力的研究工作。STAR合作组未来将继续开展Lambda超子整体极化的更精细测量，中国科大、布鲁克海文国家实验室和俄亥俄州立大学等STAR成员单位正合作升级前向事例平面探测器，通过美国能源部、中国科技部以及国家自然科学基金委的资助，将建成高颗粒度高分辨率的事例平面探测器，在RHIC束流能量扫描二期运行期间投入使用，预期将提高事例平面分辨率约1倍（因此极化测量误差减小1倍），同时承担端盖飞行时间探测器升级。这些探测器的升级改造使更细致和更深入地研究超子整体极化效应成为可能。

 

中国科大教授王群领导的中国科大高能核物理理论研究组是最早研究整体极化效应的团队之一。王群在2017年2月受邀在美国芝加哥举办的高能核物理领域规模最大和最重要的夸克物质国际大会上做关于《重离子碰撞整体极化效应》的大会报告，也是在该次会议上作大会报告的仅有的两位来自国内的学者之一。王群与他指导的博士庞龙刚(王群研究组2012博士毕业)以及合作者提出了通过测量超子极化关联函数来探测夸克胶子等离子体的流体涡旋性质的设想，发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 117,192301(2016)]，这篇文章也被此次发表在《自然》上的文章引用。（来源：中国科学技术大学）

 

 

图1. Lambda超子由uds夸克组成，带有1/2自旋。

 

 

图2. 关于Lambda极化的测量数据。纵轴是极化度，横轴是重离子碰撞的碰撞能量。