近日，复旦大学马余刚院士团队在RHIC-STAR国际合作组的高能重离子碰撞实验中观测到了在超强磁场影响下的带电粒子的直接流劈裂效应。该研究结果为研究强磁场下的夸克胶子等离子体性质，以及碰撞所产生的磁场演化问题提供了新的实验数据，相关工作以Featured in Physics在Phys. Rev. X14, 011028（2024）发表，APS网站（Physics.aps.org） 还专门以题为“Colossal Magnetic Field Detected in Nuclear Matter”作为焦点介绍。
在高能重离子碰撞实验中，研究人员将两束重离子加速到接近光速并使其发生对撞，从而产生退禁闭的夸克胶子等离子体（QGP）。在非对心碰撞中，由于核碎片带有正电荷且接近光速，理论预测它会在空间中诱导出极强的磁场，如图1所示。理论计算表明在质心能量为200GeV的金核-金核对撞过程中，产生的磁场强度可达1018高斯，其强度大约为中子星磁场的一千倍。在该磁场条件下，QGP或可产生一系列重要的物理过程，如与强相互作用中对称性破缺相关的手征磁效应——左手征或右手征主导的费米子系统在强磁场下产生电偶极，以及手征磁催化与反磁催化——从QGP相到强子相的温度随磁场的变化。这些物理过程能丰富人们对四大基本相互作用之强相互作用的新认识，而磁场与QGP的相互作用是前提条件之一。然而，由于重离子碎片在碰撞区产生的磁场会在真空中迅速衰减，其在QGP中的强度究竟如何是一个巨大的挑战。磁场的寿命由碰撞能量、QGP产生时间及QGP电导率等多种因素决定，因此对磁场寿命的研究也能帮助人们了解QGP的电磁性质。
图1 高能重离子碰撞及其诱发的超强电磁场示意图。图片来自于RPX论文。
马余刚院士领导的研究团队，特别是申迪宇博士后、陈金辉研究员等利用带电粒子在电磁场中的运动学性质，首次观察到了与电磁场效应预期一致的电荷依赖的粒子直接流劈裂，该研究结果支持在QGP中存在电磁场的观点，为进一步研究QGP与电磁场的相互作用提供了实验基础。在重离子碰撞中，末态粒子的动量分布可用粒子的方位角（图1粒子出射方向在x-y平面与x轴的夹角）傅立叶展开表示，粒子的直接流定义为一阶余弦函数对应的系数。由于带电粒子在磁场中的运动会受到洛伦兹力而发生偏转（霍尔效应），如图2中的黑色箭头所示。而磁场的衰减会诱导出一个感生电场（法拉第效应），与来自核碎片的库伦场一起使得带电粒子往与霍尔效应相反的方向偏转，如图2中的紫红色箭头所示。在这些电磁力的共同作用下，使得带正电的粒子围绕磁场逆时针偏转，带负电的顺时针偏转，最后体现在电荷依赖的直接流劈裂上。
图2 夸克胶子等离子体中的正反夸克偏转示意图。图片来自于RPX论文。
研究团队发现带电粒子的直接流劈裂具有明显的碰撞中心度依赖性（中心度定义为原子核之间碰撞区域的大小，最中心代表原子核之间发生了对心碰撞）。在最中心碰撞中几乎没有核碎片，因而磁场最小，而随着偏离中心碰撞，磁场逐渐增大。研究人员对带有相反电荷的正反π介子、正反K介子、正反质子对的测量显示在接近中心碰撞时其劈裂可用来自输运夸克（原子核中的价夸克）的贡献来解释，而在远离中心碰撞（偏心碰撞，其磁场效应增大）时其劈裂才与电磁效应的计算一致。除此之外，研究人员发现在较低对撞能量（每核子对质心能量27GeV）的金核对撞中，劈裂效应比较高对撞能量（每核子对质心能量200GeV）时更加明显，这些发现能够进一步为研究磁场演化对碰撞能量的依赖性问题提供实验依据。
该研究工作得到了国家重点研发计划“大科学装置前沿”专项、国家自然科学基金委重大项目、杰出青年科学基金、理论物理专款-上海核物理理论研究中心等项目的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.011028
注：论文署名按照大型国际合作组惯例以字母表排序，实际主导本工作的完成人包含8人，他们分别是复旦大学团队的马余刚院士、陈金辉研究员、申迪宇博士后，布鲁克海汶实验室的Aihong Tang研究员，加利福利亚大学洛杉矶分校的Gang Wang研究员、Aditya Prasad Dash博士后，中国科学院近代物理研究所的Subhash Singha研究员和Dhananjaya Thakur博士后。
