鉴于三种不同的“自旋”方向的选择，相对论重离子对撞机(RHIC)碰撞产生的某些粒子似乎有偏好。正如RHIC的STAR合作刚刚发表在《自然》杂志上的一篇论文中所描述的那样，结果揭示了对称为phi介子的粒子的全局自旋排列的偏好。传统的机制 - 例如磁场强度或粒子碰撞中产生的物质的漩涡 - 无法解释数据。但是，包括核强力局部波动的新模型可以。

“可能是强大的力量波动是缺失的因素。以前我们没有意识到强大的力可以以这种方式影响粒子自旋，“参与分析的布鲁克海文STAR物理学家Aihong Tang说。

STAR物理学家说，这种解释仍有待商榷，需要进一步验证。但如果事实证明这是真的，“这些测量为我们提供了一种衡量强力局部波动有多大的方法。它们为从不同的角度研究强大力量提供了新的途径，“唐说。

释放强大力量

顾名思义，强力是自然界四种基本力中最强的一种。它是将原子的构建块结合在一起的东西 - 构成原子核的质子和中子，以及它们的内部构建块，夸克和胶子。

RHIC是美国能源部科学办公室用于核物理研究的用户设施，其建造在很大程度上是为了科学家可以研究这种力量。他们通过将以接近光速的速度在RHIC的双加速器环周围以相反方向加速的重原子核粉碎在一起来做到这一点。迎面碰撞“熔化”了单个质子和中子的边界，释放了通常被限制在内部的夸克和胶子，以产生夸克-胶子等离子体(QGP)。STAR拍摄快照并收集有关这些粉碎产生的粒子的详细数据，以便科学家了解夸克和胶子如何相互作用。

破译自旋对齐

STAR早期的测量显示，当金原子核以有点偏离中心的方式碰撞时，掠过撞击会使夸克和胶子的热汤旋转。科学家通过跟踪其对碰撞中出现的某些粒子自旋的影响来测量旋涡夸克-胶子等离子体的“涡度”。

你可以认为自旋类似于像地球这样的行星的自转，有北极和南极。对于这项早期研究中的粒子(λ超子)，它们的自旋轴与每次偏离中心碰撞中产生的角动量对齐的程度是测量QGP漩涡的直接代理。

最近的STAR分析试图测量不同类型粒子的自旋排列，包括phi和K*0介子在当前的Nature论文中报道。对于这些粒子，自旋不仅有两种方向(“北”和“南”)，还有三种可能的方向。

与之前的研究一样，STAR物理学家通过跟踪这些粒子的衰变产物相对于垂直于碰撞核反应平面的方向的分布来测量这些粒子的自旋排列。对于 phi 和 K*0介子，科学家们将这些测量结果转化为母粒子处于三种自旋状态之一的概率。

“如果这三种状态中每一种的概率都等于三分之一，那么这意味着粒子没有偏好处于这三种自旋排列状态中的任何一种，”STAR物理学家徐孙解释说，他是伊利诺伊大学芝加哥分校的前博士后研究员，最近加入了中国现代物理研究所。 作为一名职员科学家。

这基本上就是科学家们为K*发现的。0粒子 - 无偏好。但对于phi介子来说，有一个强烈的信号，即一种状态优于其他两种状态。

“不知何故，大自然决定phi介子在选择其中一种状态时有偏好，”孙说。

解释偏好

Chensheng Zhou自2016年以来一直与Tang合作进行这些测量，从他在中国复旦大学的研究生开始，他于2017年在石溪大学的一次会议上介绍了初步发现。那次演讲激发了理论家们做出各种尝试，用常规机制来解释这些发现，包括涡度、磁场、碎裂等。当现代物理研究所的STAR合作者Subhash Singha在2019年(当时他是肯特州立大学的博士后)和2022年的会议上讨论这一结果时，好奇心继续增长。

同时，STAR物理学家检查了他们的分析，进行了新的分析，并降低了结果的不确定性。

“我们的结果经得起这种审查，但这些数字仍然没有加起来，”唐说。仅使用常规机制描述phi介子的全局自旋排列将导致低于科学家在STAR测量的值。

理论家最近提出了一个观点，即夸克-胶子等离子体内强力的局部波动可能驱动了phi介子的明显自旋排列偏好。了解 phi 和 K* 的不同夸克分量0介子可能有助于解释这种情况是如何发生的，并提供一种进行进一步测试的方法。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的理论家王新年解释说，每个phi介子都是由同一“风味”家族(奇怪和反奇怪)的夸克和反夸克组成的。强力效应倾向于在同一方向上加起来并影响这些相同风味的颗粒。

K*0另一方面，介子是不同口味(羽绒和反奇异)的夸克-反夸克对。“有了这种口味的混合物，强大的力量指向不同的方向，所以它的影响不会像在phi介子中那样显现出来，”王说。

为了验证这一想法，STAR物理学家计划研究另一个由同味夸克制成的介子的全局自旋排列 - J / psi粒子(由魅力夸克和反魅力夸克制成)。

“这是STAR在2023年和2025年RHIC运行的待办事项清单上，”孙说。

找到J / psi粒子的全局自旋排列偏好将为强力解释增加支持。它还将验证使用这些粒子的全局自旋排列作为研究QGP中局部强力波动的方法。

“即使经过22 +年的运营，RHIC仍然通过新的发现给我们带来惊喜，继续加深我们对自然的理解，”唐说。

导致这些结果的分析的其他贡献者包括：Jinhui Chen(复旦大学)，Declan Keane(肯特州立大学)和Yugang Ma(复旦大学)。