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山大学者相对论QGP研究获《Nature》发表国际实验成果证实

2017/8/3 15:51:18   来源:中国山东网

  中国山东网讯 8月3日,由山大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RHIC-STAR国际合作组最新研究成果作为封面文章发表在《Nature》杂志上。该研究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。

  QGP“整体极化”理论最早由山东大学梁作堂教授和长江学者讲座教授王新年于2004年提出,论文发表在美国《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 94, 102301)上,开创了QGP围绕自旋自由度相关物理研究的新方向。STAR实验组发表在《Nature》的实验结果证实了该论文的预言。

  位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)利用两束接近于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸,产生类似于早期宇宙的夸克胶子物质形态,被称为夸克胶子等离子体(QGP),已经被高能重离子碰撞实验所证实,是当代高能核物理研究的最前沿。2004年,山东大学梁作堂教授和王新年教授发现,非对心重离子碰撞过程中参与反应的初态系统具有巨大的相对于碰撞反应面的轨道角动量,必然导致一系列重要可测效应,这是研究轨道量子色动力学(QCD)角动量与极化效应的重要窗口。他们建立起由动量梯度到夸克极化转移的基于QCD的计算方法,对产生的夸克系统的极化做了计算,证明了经过相互作用,这些轨道角动量可以转化成产生出的QGP极化,首次提出了“QGP整体极化(global polarization)”的思想,开启了QGP围绕自旋自由度相关物理的研究,“global polarization”成为该领域的一个专用名词。STAR的实验结果证实了QGP整体极化的存在,并且是迄今为止唯一一个实验证明QGP流体具有超高的涡旋度,比之前研究发现在纳米尺度下产生的最高涡旋度的液氦量子超流体要高十几个数量级。现任STAR国际合作组发言人、山东大学“千人计划”特聘教授许长补教授表示:“该理论的创新和实验结果的发现是近几年本领域的最重要的突破,对相对论量子尺度下流体涡旋度(vorticity)的研究有深远的物理意义。”

  STAR国际合作组由来自14个国家54家科研单位的500多名研究人员组成,山东大学于2008年成为STAR国际合作组的成员,由徐庆华教授组建课题组,一直致力于超子极化在内的自旋物理分析工作,是在RHIC装置进行Lambda超子测量的少数几个实验组之一,并于2009年完成质子—质子反应中Lambda超子自旋转移的首次测量。与超子整体极化测量手段类似,课题组利用了超子衰变后产物的角分布和超子自旋的关联来探测部分子在质子内部的分布,并用4米x4米的大型桶状时间投影室径迹探测器(TPC)观测和重建Lambda超子衰变。除了山东大学之外,中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、清华大学、华中师范大学等高校和科研机构也加入了STAR中国合作组。

  STAR实验对QGP整体极化的证实迅速推动了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,国际上大批学者也相继从不同的方面开展了大量的研究工作。山东大学STAR实验研究组在许长补教授的带领下于2014年开始参加STAR实验组大装置的时间投影室径迹探测器(iTPC)升级计划,这是RHIC第二期能量扫描计划最重要的探测器升级项目。该项目得到国家基金委重点国际合作项目和科技部973项目的部分资助,并承担制作时间投影室丝室探测器的核心部件。iTPC探测器升级将拓展粒子测量的接收度并提高用于粒子鉴别的能量损失的精度,对包括整体极化在内的QGP新物质态的性质,及探测QCD相变并寻找相变临界点的实验观测有不可或缺的作用。

    编辑:周玉森

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