复旦大学马余刚院士团队首次在RHIC-STAR国际合作的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现象。该成果为研究夸克胶子等离子体QGP中的强相互作用提供了一个新的可能方向，相关成果于1月18日发表在《自然》（Nature）杂志。
该成果是基于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的螺旋径迹探测器（RHIC-STAR），研究人员发现接近光速的金核-金核对撞形成的夸克物质中产生的Φ介子表现出的“整体极化”新现象。非对心的相对论重离子碰撞会沿着反应平面法线方向产生巨大的轨道角动量。理论研究指出，该角动量会以流体涡旋的形式传递到QGP中，QGP中的粒子通过自旋-轨道相互作用可以产生自旋极化，这种关于事件反应平面自旋极化的效应称为“整体极化”效应。
在《自然》论文中，马余刚院士团队与合作者在STAR实验组测量了Φ和K*0介子的整体自旋排列。研究团队采用了马院士团队在2005年建立的数据分析方法(DOI: 10.1103/PhysRevC77.061902)，他们通过跟踪这些粒子的衰变产物相对于反应平面法线方向的角分布，再将这些角度分布测量值转换为母粒子处于三种自旋状态的概率，实现母粒子的自旋排列密度矩阵的测量。《自然》论文探索的“整体极化”效应是一种新的现象。在没有整体自旋排列信号的情况下，他们测量的Φ和K*0介子自旋处于三种状态中的每一种的概率都等于三分之一，正如对于K*0介子的实验测量所展示的。但是对于Φ介子，实验数据表现出强烈的信号，即一种状态优于其他两种状态。
然而，传统的理论虽能解释QGP中的Lambda超子的整体极化，但不能描述本次矢量介子的整体自旋排列的新实验结果。在传统的机制下，将夸克水平的自旋极化转换为介子的整体自旋排列得到的效应远远低于《自然》论文中新的测量结果。近期，中国的理论核物理团队提出了一个新的观点，即QGP内强相互作用力的局部涨落可能驱动了Φ介子的整体自旋排列。这种新的机制也考虑了Φ和K*0介子之间不同的夸克组分，并解释了实验上观测到两者之间的差异。这一理论仍需要更多的实验结果进行验证。
新的实验研究还在持续进行中，马余刚院士团队及其合作者正在研究另一种由同味道夸克-反夸克对形成的粒子的自旋整体排列：J/Ψ粒子的整体极化。如果发现J/Ψ粒子的自旋整体排列，将为强相互作用力的局部涨落的理论解释增加进一步的支撑，从而也提供了使用这些粒子的整体极化行为来量化强相互作用中的局部涨落强度，为研究QGP中的强相互作用机制提供了一个新的可能方向。
按照STAR国际大型合作组的要求，论文的作者署名以字母排序。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05557-5
