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科学家在相对论重离子碰撞实验中观测到可能的手征磁波现象

科学家在相对论重离子碰撞实验中观测到可能的手征磁波现象

  最近,美国布鲁克海文国家实验室RHIC-STAR国际合作组首次观测到相对论重离子碰撞下手征磁波(Chiral Magnetic Wave)可能存在的证据,中国科学院上海应用物理研究所马余刚课题组是该工作的主要作幸运28者(principal authors)单位之一。该项研究是马余刚指导的学生寿齐烨的博士论文《相对论重离子碰撞强磁场中的电荷分离和手征磁波的研究》的主体内容,相关研究结果被选为“编辑推荐”(Editors' Suggestion)发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 114, 252302 (2015))上。

  手征磁波的起源是强相互作用下的局域CP破缺。所谓CP破缺是指在某一物理过程中,电荷对称C和宇称对称P的乘积的对称性受到了破坏。上世纪五六十年代,李政道、杨振宁发现了弱相互作用下的宇称破缺。而目前,强相互作用下还没有观测到任何宇称破缺的现象。随着相对论重离子对撞机实验的不断开展和夸克-胶子等离子体理论的迅猛发展,近来理论核物理学家提出了在高能重离子碰撞中从强子态到部分子态的转变过程中可能存在局域的C、P和(或者)CP的自发对称性破缺。手征磁波正是这样一种可能存在于强磁场下的局域宇称破缺理论。

  手征磁波由手征磁效应和手征分离效应组成,这两个效应如同电磁场一般相互激发,构成波的形式。理论预言,手征磁波会在夸克-胶子等离子体中形成电四极矩,导致正反粒子椭圆流差值和电荷不对称系数形成线性关系。对此,上海应物所与华中师范大学、加州大学洛杉矶分校、布鲁克海文国家实验室的科研同行合作,以相对论重离子对撞机RHIC上的STAR探测器为平台,对不同能量金-金对撞中产生的正反π介子椭圆流差值和电荷不对称系数的依赖性做了观测,发现了手征磁波理论预言的线性关系。从线性关系中提取出来的幸运28斜率及其对中心度的依赖性几乎和手征磁波的预期一致,而能量扫描结果也显示了手征磁波对于能量的弱依赖性。这些实验结果被认为是手征磁波存在的直接证据。随后,在欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC实验中,也观测到了该现象。

  该研究工作在高能核物理领域引起了广泛关注,成为理论和实验两方面的热门课题。许多理论学者试图用其他的物理模型来描述幸运28实验观测值,但结果并不理想。比如,基于现有流体模型的相关工作能部分解释正反π介子的实验结果,但却无法解释正反K介子以及三角流的结果,这预示着以手征磁波理论为代表的新物理极有可能存在,将会大大拓展人们对于宇称破缺以及夸克-胶子等离子体的认识。

  该项研究得到了国家重点基础研究计划(“973”计划)、国家自然科学基金“重离子物理”创新群体等共同资助。

  论文链接 

 

1. 正反π介子椭圆流差值和电荷不对称系数的线性关系

 

  2. 实验观测到的斜率的中心度依赖性与手征磁波理论预言的对比,二者吻合得很好。(虚线为手征磁波理论预言,五角星为实验观测值)