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美國布魯克黑文國家實驗室（BNL）相對論性重離子對撞機（RHIC）的 STAR 國際合作組首次在由金原子非對心碰撞產生的夸克膠子等離子體（quark-gluon plasma，QGP）中觀測到渦旋。 QGP 是宇宙誕生初期充斥在空間中的原始“粒子湯”，它具有超高溫度和超低黏度，被物理學家稱為“完美流體”。研究 QGP 的獨特性質有助于揭開強相互作用的神秘面紗——夸克和膠子如何組合成質子、中子，進而形成宇宙中的絕大部分可見物質。 在實驗室中，QGP 可以通過重離子碰撞產生。STAR 實驗中的 QGP 是通過能量高達 200GeV 的金原子核發生對撞，釋放出夸克和膠子而形成的。因為這些對撞往往是非對心的，由此產生的 QGP 帶有極高的角動量，旋轉非常快。 那么如何對 QGP 的旋轉進行測量呢？QGP 在膨脹、收縮的過程中，夸克和膠子會凝聚成我們熟悉的粒子，比如質子、中子和其他一些不穩定組合。這些粒子都帶有“繼承”自 QGP 的自旋狀態。由于這些粒子在誕生時毫無秩序，想要對它們進行測量相當困難。研究人員通常借助一種稱為“Λ 超子”的粒子：它會衰變成質子，然后被探測器捕捉到。衰變產生的質子沿著 Λ 超子的自旋軸方向飛出，通過記錄這些質子的軌跡并進行分析，研究人員便能了解 QGP 的旋轉狀態。其中一個重要的指標就是渦旋度，它表征流體旋轉的速度。研究人員通過計算發現，QGP 旋轉極快，每秒自轉達 1021 次，是有史以來的最高紀錄。 去年 11 月發表于《物理評論快報》的一項研究中，華中師范大學粒子物理研究所的王新年教授和合作者的數值模擬結果顯示，非對心碰撞的原子核系統攜帶的巨大角動量通過粒子之間相互碰撞，最終會以局域渦流的形式存在于夸克膠子等離子體中。STAR 實驗組這次的分析結果恰恰證實了這一點。為此，“科研圈”特別邀請到了王新年教授對 STAR 實驗組的工作進行簡評： 原初湯中的渦旋 在大爆炸之后最初的幾個微秒時刻，早期宇宙是處于一種由自由的亞原子粒子組成的“原始湯”，即夸克膠子等離子體。在過去幾十年里， 物理學家們利用高能重離子碰撞，在實驗室中產生并研究這種“原始湯”的物理性質。 實驗結果表明，這種新物質是在實驗室中產生的世界上溫度最高、最不透明和最接近完美的流體狀態。十幾年前中美理論家預言在非對心碰撞中，這種“原始湯”會有很大的渦旋。在最新一期的《自然》雜志的封面文章中, 美國布魯克海文國家實驗室的 STAR 合作組報道證實了這個現象，并觀測到了迄今世界上最大的渦旋度。 參考資料 1. https:///news/2017-08-liquid-quark-gluon-plasma-vortical-fluid.html 2. http:///cws/article/news/2017/aug/04/quark-gluon-plasmas-rotate-at-record-speed 3. https:///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 論文基本信息 題目 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/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 1,000?, 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. 閱讀更多 ▽ 故事 · 美國首次成功編輯人類胚胎，“定制人類”或將不再是科幻情節 · 清北生物博士給學弟學妹的萬字建言：生物這行這么難，我們應該怎么辦？ · 史上最嚴107撤稿處理：取消項目、晉升、 獎勵，和院士候選 ▽ 論文推薦 · 華人學者發現：恐龍滅絕時，蛙類大爆發 | PNAS 論文推薦 · Science：打破百年設計瓶頸 光存儲性能有望提高 40 倍 | 專訪論文共同一作、南昌大學沈林放研究員 ▽ 論文導讀 內容合作請聯系 keyanquan@huanqiukexue.com |
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