Nature 封面故事：STAR 国际合作组首次在实验中观测到超强涡旋【附专家点评】

编译 金烨

特邀评论 王新年（华中师范大学粒子物理研究所）

编辑 金庄维

美国布鲁克黑文国家实验室（BNL）相对论性重离子对撞机（RHIC）的 STAR 国际合作组首次在由金原子非对心碰撞产生的夸克胶子等离子体（quark-gluon plasma，QGP）中观测到涡旋。

QGP 是宇宙诞生初期充斥在空间中的原始“粒子汤”，它具有超高温度和超低黏度，被物理学家称为“完美流体”。研究 QGP 的独特性质有助于揭开强相互作用的神秘面纱——夸克和胶子如何组合成质子、中子，进而形成宇宙中的绝大部分可见物质。

在实验室中，QGP 可以通过重离子碰撞产生。STAR 实验中的 QGP 是通过能量高达 200GeV 的金原子核发生对撞，释放出夸克和胶子而形成的。因为这些对撞往往是非对心的，由此产生的 QGP 带有极高的角动量，旋转非常快。

那么如何对 QGP 的旋转进行测量呢？QGP 在膨胀、收缩的过程中，夸克和胶子会凝聚成我们熟悉的粒子，比如质子、中子和其他一些不稳定组合。这些粒子都带有“继承”自 QGP 的自旋状态。由于这些粒子在诞生时毫无秩序，想要对它们进行测量相当困难。研究人员通常借助一种称为“Λ 超子”的粒子：它会衰变成质子，然后被探测器捕捉到。衰变产生的质子沿着 Λ 超子的自旋轴方向飞出，通过记录这些质子的轨迹并进行分析，研究人员便能了解 QGP 的旋转状态。其中一个重要的指标就是涡旋度，它表征流体旋转的速度。研究人员通过计算发现，QGP 旋转极快，每秒自转达 10²¹ 次，是有史以来的最高纪录。

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去年 11 月发表于《物理评论快报》的一项研究中，华中师范大学粒子物理研究所的王新年教授和合作者的数值模拟结果显示，非对心碰撞的原子核系统携带的巨大角动量通过粒子之间相互碰撞，最终会以局域涡流的形式存在于夸克胶子等离子体中。STAR 实验组这次的分析结果恰恰证实了这一点。为此，“科研圈”特别邀请到了王新年教授对 STAR 实验组的工作进行简评：

原初汤中的涡旋

在大爆炸之后最初的几个微秒时刻，早期宇宙是处于一种由自由的亚原子粒子组成的“原始汤”，即夸克胶子等离子体。在过去几十年里， 物理学家们利用高能重离子碰撞，在实验室中产生并研究这种“原始汤”的物理性质。 实验结果表明，这种新物质是在实验室中产生的世界上温度最高、最不透明和最接近完美的流体状态。十几年前中美理论家预言在非对心碰撞中，这种“原始汤”会有很大的涡旋。在最新一期的《自然》杂志的封面文章中, 美国布鲁克海文国家实验室的 STAR 合作组报道证实了这个现象，并观测到了迄今世界上最大的涡旋度。

参考资料

1. https://phys.org/news/2017-08-liquid-quark-gluon-plasma-vortical-fluid.html

2. http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/aug/04/quark-gluon-plasmas-rotate-at-record-speed

3. https://arstechnica.com/science/2017/08/taking-quark-gluon-plasma-for-a-spin-may-un-break-a-fundamental-symmetry/

4. http://news.sciencenet.cn//htmlnews/2016/11/360848.shtm

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论文基本信息

题目

Global Λ hyperon polarization in nuclear collisions

作者

The STAR Collaboration

期刊

Nature

日期

2017.8.3

DOI

10.1038/nature23004

地址

https://www.nature.com/nature/journal/v548/n7665/full/nature23004.html

摘要

The extreme energy densities generated by ultra-relativistic collisions between heavy atomic nuclei produce a state of matter that behaves surprisingly like a fluid, with exceptionally high temperature and low viscosity. Non-central collisions have angular momenta of the order of 1,000ћ, and the resulting fluid may have a strong vortical structure that must be understood to describe the fluid properly. The vortical structure is also of particular interest because the restoration of fundamental symmetries of quantum chromodynamics is expected to produce novel physical effects in the presence of strong vorticity. However, no experimental indications of fluid vorticity in heavy ion collisions have yet been found. Since vorticity represents a local rotational structure of the fluid, spin–orbit coupling can lead to preferential orientation of particle spins along the direction of rotation. Here we present measurements of an alignment between the global angular momentum of a non-central collision and the spin of emitted particles (in this case the collision occurs between gold nuclei and produces Λ baryons), revealing that the fluid produced in heavy ion collisions is the most vortical system so far observed. (At high energies, this fluid is a quark–gluon plasma.) We find that Λ and $\bar{Λ}$ hyperons show a positive polarization of the order of a few per cent, consistent with some hydrodynamic predictions. (A hyperon is a particle composed of three quarks, at least one of which is a strange quark; the remainder are up and down quarks, found in protons and neutrons.) A previous measurement that reported a null result, that is, zero polarization, at higher collision energies is seen to be consistent with the trend of our observations, though with larger statistical uncertainties. These data provide experimental access to the vortical structure of the nearly ideal liquid created in a heavy ion collision and should prove valuable in the development of hydrodynamic models that quantitatively connect observations to the theory of the strong force.

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