高能重离子碰撞过程的自旋与手征效应
自旋效应在近代物理学发展中发挥着极其重要的作用, 自 20 世纪 90 年代起, 随着实验上“质子自旋之谜”以及在高能反应中一系列意外的自旋效应的发现, 强相互作用自旋物理就一直是粒子物理研究的热点前沿之一. 但对高能重离子碰撞过程, 人们一度认为自旋效应不可能有重要作用.主要原因不仅是实验上将原子核极化是极其困难的, 而且即使原子核是极化的, 原子核内核子的极化度也很小, 所以在实验中测量到原子核的极化效应几乎是不可能的. 这样的观念随着重离子碰撞过程整体极化效应的提出并得到实验验证被彻底打破. 在高能重离子碰撞过程中碰撞系统具有巨大的沿着反应面法线方向的轨道角动量, 实验上可以确定重离子碰撞的反应面的法线方向, 从而研究此轨道角动量引起的各种效应. 理论上预言, 强相互作用中的自旋轨道耦合可以使轨道角动量部分地转化为末态粒子的自旋极化, 从而导致所谓的整体极化效应. 这一理论预言已连续被实验证实,首先是 2017 年, 美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上 STAR 实验组在《自然》杂志发表封面论文, 首次证实超子整体极化效应的存在. 随后欧洲核子研究中心、德国重离子研究中心等也在不同能量给出了他们测量的结果, 特别是 2023 年初, STAR 实验组再次在《自然》杂志发表矢量介子的测量结果, 不仅证实矢量介子的整体极化现象, 而且还揭示出了整体极化效应的新特征. 这些理论与实验的进展, 使重离子碰撞过程自旋与手征效应成为当前相对论重离子碰撞领域的热点前沿之一, 研究内容不仅包括了整体极化效应, 还涵盖了相关的其它效应以及超边缘核核碰撞过程中极化光子导致的物理效应等.
在这些自旋效应的研究中, 我国的物理学工作者基本上保持在国际前沿, 发挥了重要作用, 不仅整体极化效应理论上最早由我国学者提出, 而且实验研究上许多方面也是我国学者主导. 在此背景下, 受《物理学报》编辑部委托, 我们邀请了国内外部分华人青年学者, 为中文读者总结已有成果和目前研究现状, 并展望未来的发展趋势, 期望能够为青年学者的研究工作提供参考.
在这些自旋效应的研究中, 我国的物理学工作者基本上保持在国际前沿, 发挥了重要作用, 不仅整体极化效应理论上最早由我国学者提出, 而且实验研究上许多方面也是我国学者主导. 在此背景下, 受《物理学报》编辑部委托, 我们邀请了国内外部分华人青年学者, 为中文读者总结已有成果和目前研究现状, 并展望未来的发展趋势, 期望能够为青年学者的研究工作提供参考.
2023, 72 (7): 071202.
doi: 10.7498/aps.72.20230036
摘要 +
近年来, 随着重离子碰撞实验中超子自旋极化与矢量介子自旋排列现象的发现, 关于夸克胶子物质中自旋输运的理论研究也得到蓬勃发展, 其中包括相对论自旋流体力学, 它是描述自旋输运的流体力学理论. 本文对相对论自旋流体力学的近期发展进行了综述, 主要包括以下内容: 1)相对论自旋流体力学基本方程的推导, 包括宏观的唯象学推导、基于有效场论的推导以及基于输运理论的推导; 2)该理论框架的一些特殊性质, 包括能动量张量中的反对称结构以及赝规范变换性质等; 3)在Bjorken和Gubser膨胀体系中的解析解及其对于重离子碰撞物理的意义.
2023, 72 (7): 072501.
doi: 10.7498/aps.72.20230102
摘要 +
在非对心相对论重离子碰撞中, 参与反应的原子核物质系统具有巨大的初始轨道角动量, 经过强相互作用的自旋-轨道耦合, 这一巨大的轨道角动量可以转化为产生的夸克-胶子等离子体的整体极化. 整体极化效应在理论上提出后, 首先被美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的STAR实验所证实, 激发了人们对相关问题的研究, 成为重离子碰撞物理研究的一个新方向—重离子碰撞自旋物理. 本文简单回顾了整体极化原始基本思想、理论计算体系与主要结果以及近几年的理论进展.
2023, 72 (7): 072503.
doi: 10.7498/aps.72.20230074
摘要 +
本文旨在对近期高能重离子超边缘碰撞中光致产生过程的研究做一个简要综述. 相对论性重离子激发的超强电磁场可以被近似认为是一束极高亮度的等效相干光子束流. 本文主要讨论两类等效光子参与的高能产生过程: 准实光子融合产生轻子对即Breit-Wheeler过程, 以及等效光子与原子核内的胶子物质相互作用导致的矢量介子衍射产生过程. 这两类过程是研究重离子超边缘碰撞的传统课题, 本文主要侧重于讨论碰撞参数依赖效应与末态软光子重求和效应. 另一方面, 最近一系列研究揭示了相对论重离子所激发的准实光子是高度线性极化的, 其极化方向平行于光子横动量方向；并指出可以通过重离子超边缘碰撞中轻子对产生过程的$\cos 4\phi$ 方位角不对称来测量光子的线偏振度. 这一理论预言随后被SATR合作组的测量所证实. 伴随这一新的理论与实验进展, 线性极化光子束流同时也给我们提供了一种新颖的实验手段, 用来研究量子色动力学唯象学. 如线偏振准实光子可导致矢量介子衍射产生过程的各种方位角不对称, 通过研究这些方位角不对称可以让我们更深入地理解高能散射过程的双缝干涉效应、库仑-核反应的干涉过程, 以及抽取光子维格纳函数等. 本文将详述这些效应并讨论未来的理论与实验发展.
2023, 72 (7): 072401.
doi: 10.7498/aps.72.20222452
摘要 +
高能重离子碰撞中Λ超子和ϕ, K*0矢量介子的整体极化的实验数据证实了夸克物质整体极化的新现象, 引起了研究人员的广泛关注, 成为高能核物理前沿新的热点研究方向. 本文主要从实验测量上回顾整体极化研究, 着重阐述相对论重离子对撞机(RHIC)上的螺旋径迹探测器(STAR)合作组在不同对撞能量点开展的Λ超子和ϕ, K*0介子的整体极化测量结果, 并拓展到含有多个奇异夸克粒子Ξ, Ω的整体极化测量和Λ沿着束流方向的局域极化研究. 本文也将简单点评大型强子对撞机(LHC)能区和HADES实验低能区的测量结果, 并对这些实验结果给出的物理信息进行简单描述.
2023, 72 (7): 071201.
doi: 10.7498/aps.72.20222473
摘要 +
将引力形状因子推广到了手征费米子的情形, 并由此给出了熟知的自旋-涡旋耦合. 计算了量子电动力学等离子体中引力形状因子的辐射修正. 发现形状因子中存在两个结构对费米子在涡旋场中的散射振幅有贡献, 其中之一来自于费米子的自能修正, 指向介质中自旋-涡旋耦合的压低; 另一结构来自于对引力子-费米子顶点的修正, 这一修正不能解释为势能, 而是对应初末态的跃迁矩阵元. 两个结构均对手征涡旋效应产生贡献. 辐射修正总的效果是对手征涡旋效应的增强. 本文的结果从形状因子的角度澄清了自旋-涡旋耦合以及手征涡旋效应的联系和区别. 另外, 讨论了上述结果在量子色动力学等离子体中的应用, 结果暗示辐射修正可能对重离子碰撞的自旋极化现象有一定效应.
2023, 72 (7): 072502.
doi: 10.7498/aps.72.20230071
摘要 +
在非对心相对论重离子碰撞中, 参与反应的系统具有巨大的轨道角动量, 从而使产生的夸克胶子等离子体具有极强涡旋场, 并通过自旋-轨道相互作用导致部分子的自旋极化, 经过强子化导致重子的自旋极化以及矢量介子的自旋排列等可观测效应. 矢量介子的自旋排列是指其自旋密度矩阵的00元素$\rho_{00}$ 偏离 1/3. 在矢量介子衰变到两个赝标介子的过程中, 衰变产物的极角分布只与$\rho_{00}$ 有关, 以此可以对自旋排列进行测量. 理论研究表明, 重离子碰撞过程中, 重子的自旋极化反映了夸克自旋极化的时空平均效应, 而矢量介子自旋排列则反映了夸克反夸克自旋极化的局域相空间关联. 本文回顾了相对论重离子碰撞中矢量介子自旋排列的相关理论工作. 重点以非相对论夸克融合模型为例, 明确地计入夸克极化的相空间依赖性, 展示了矢量介子自旋排列与夸克反夸克自旋极化特别是它们之间相空间关联的关系. 本文还讨论了涡旋、电磁场、有效ϕ介子场以及它们的局域涨落对ϕ介子自旋排列的贡献, 结果显示强作用场的时空关联效应是导致ϕ介子自旋排列的主要因素. 矢量介子自旋排列为探索强相互作用物质和强相互作用场的性质提供了新途径.
2023, 72 (7): 072504.
doi: 10.7498/aps.72.20222391
摘要 +
非对心的相对论重离子碰撞中, 不参与碰撞的核子会对参与碰撞的核子产生纵向拖拽, 形成一个相对于纵向倾斜的夸克胶子等离子体(QGP)火球. 同时, 对撞的原子核可将巨大的轨道角动量沉积于QGP中, 使其中的部分子沿系统总角动量方向发生自旋极化. 在光学 Glauber模型基础上, 本文构建了倾斜的三维QGP初态条件, 并结合3+1维黏滞流体力学模型CLVisc, 研究了重离子碰撞的末态带电粒子的直接流和$ \Lambda/\bar{\Lambda} $ 超子的整体极化. 计算表明, 倾斜的初态条件与流体力学模型的结合能够较好地描述RHIC-STAR实验上观测到的直接流与超子整体自旋极化的数据. 这为人们利用这些观测量进一步约束重离子碰撞产生的核物质的初始几何与运动学状态提供了理论依据.
2023, 72 (11): 112503.
doi: 10.7498/aps.72.20222471
摘要 +
非阿贝尔规范场是构成标准模型的基本单元, 非阿贝尔手征动理学理论是描述标准模型在非平衡体系下手征费米子输运的重要理论工具. 在前期工作中, 我们将非阿贝尔手征动理学方程分解为色空间中的色单态和色多重态等不可约表示形式, 这种分解方式可以让手征动理学方程在色空间的规范变换下具有更简单的变换性质. 然而, 这种分解方式在微观描述色自由度的输运方面可能并不直观和方便. 为了描述色自由度具体输运和演化过程, 本文把前期得到的非阿贝尔手征动理学方程在嘉当韦尔基下进行展开. 本文中通过协变梯度展开的方法将非阿贝尔手征动理学方程展开到1阶, 在嘉当韦尔基下将规范场进行展开, 分布函数分解为对角元素部分和非对角元素部分. 结果显示0阶非对角元素分布函数可以诱导出1阶对角元素分布函数贡献, 0阶对角元素分布函数也可以诱导出1阶非对角元素分布函数的贡献. 非对角元素分布函数之间以及非对角元素与对角元素之间一般都是耦合在一起, 但当规范场只存在对角元素时, 非对角元素与对角元素解耦.
2023, 72 (11): 111201.
doi: 10.7498/aps.72.20222458
摘要 +
介绍了相对论重离子碰撞实验中自旋相关观测量的最新研究进展, 重点是流体力学梯度引发的费米子自旋与其运动的量子关联, 比如最新发现的剪切力引发的自旋效应(shear-induced polarization, SIP), 以及场论线性响应理论在自旋研究中的应用. 本文讨论了SIP效应以及其他自旋运动关联效应在重离子碰撞实验中的可能信号, 并对未来发展做了展望.
2023, 72 (11): 112504.
doi: 10.7498/aps.72.20230109
摘要 +
量子色动力学中夸克和拓扑胶子场的相互作用可以产生局域宇称和电荷共轭宇称不守恒, 这为解释宇宙中物质-反物质的不对称性提供了一种可能. 在强磁场下, 宇称不守恒会导致粒子按正负电荷分离, 此现象称为手征磁效应(CME). 相对论重离子对撞中与CME类似的手征反常效应还有手征涡旋效应(CVE), 以及手征磁波效应(CMW)等. 本文简要综述了当前相对论重离子碰撞实验中CME, CVE, CMW的研究进展.
2023, 72 (11): 112502.
doi: 10.7498/aps.72.20230245
摘要 +
重离子碰撞可以产生极强的电磁场和高温高密量子色动力学(QCD)物质, 诱导很多重要手征反常现象, 例如手征磁效应和手征磁波. 本文围绕手征反常现象中的诸多物理要素, 详细介绍包括相对论重离子碰撞中不同碰撞系统和能量下的电磁场特性、同质异位素碰撞中寻找手征磁效应、手征磁波特性、中低能重离子碰撞中磁场效应等一系列与电磁场和手征反常现象相关的理论研究成果. 相关研究有助于实验中寻找强相互作用中的电荷宇称($\cal{CP}$ )破缺的证据, 加深对QCD真空涨落和宇宙中正反物质不对称问题的理解.
2023, 72 (11): 112401.
doi: 10.7498/aps.72.20230496
摘要 +
相对论重离子对撞机RHIC上超子整体极化和矢量介子自旋排列的实验发现证实了近 20 年前提出的理论. 该理论预言和实验测量开辟了一种从自旋这个新的自由度来研究高能重离子碰撞中产生的高温高密核物质特性的新途径. 本文简略回顾了整体极化理论提出和实验发现, 总结了现有大科学装置上的相关测量进展, 以及国际上现有的多种理论解释. 同时, 简要介绍了 STAR 探测器近期升级所带来的物理机遇.
2023, 72 (11): 112501.
doi: 10.7498/aps.72.20222470
摘要 +
在重离子碰撞中, 自旋轨道耦合可以导致整体极化现象. 自从2017年, STAR工作中发现超子$\Lambda$ 在Au+Au碰撞中的整体极化, 整体极化效应引起了学术界的广泛关注. 整体极化效应的微观产生机制可以利用粒子之间非定域的散射过程来描述：在重离子碰撞中产生了热密物质, 热密物质中的粒子之间通过非定域的碰撞过程实现了轨道角动量向自旋角动量的转换, 从而导致散射后的粒子自旋极化. 为了描述这一微观过程, 在相空间描述自旋轨道耦合更加方便, 而自旋轨道耦合又是一种量子效应, 所以基于协变维格纳函数的量子动理学理论将是描述整体极化现象的有力工具. 本文介绍了基于维格纳函数的量子动理学理论以及自旋输运理论. 近期自旋输运理论的发展为以后数值模拟自旋极化现象的时空演化提供了理论基础.
