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STAR在高能核物理对撞实验研究领域取得重要进展

——首次观测到高能光子对撞产生的正负电子对和可能的费米尺度超强磁场

发布日期:2018年09月30日 15:55 点击次数:

[本站讯]山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术中心许长补教授、杨驰副研究员、博士后杨钱与合作者组成的研究团队,在STAR国际合作组的实验上首次发现了高能原子核对撞中低横动量正负电子对产额的反常增强,并通过数据和理论模型计算相结合指出该反常增强源自光子-光子对撞,观测到的横动量展宽变化可能来自于正负电子对在费米尺度新物质形态产生的强电磁场下的偏转作用。这为极端条件下夸克物质的特性研究和磁流体力学的研究提供了新途径。研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 132301 (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.132301)。

高能原子核对撞可以模拟宇宙大爆炸早期产生的一种由夸克和胶子组成的新物质形态——夸克胶子等离子体,是研究由强相互作用主导的物质形态的理想场所。由于原子核带电,高能原子核还会产生自然界最强的电磁场(10的14次方特斯拉)。强电磁场下夸克胶子等离子体可用于研究一些非常重要的基本物理问题如手征磁效应、量子反常输运等,是近年来高能核物理的研究前沿。但是,高能原子核对撞实验中此前还没有找到夸克胶子等离子体中强电磁场存在的直接证据。

费米在1924年指出高速运动的电荷产生的电磁场与光子的电磁场非常类似,可以等效为大量沿电荷运动方向运动的准实光子。这些准实光子相互作用可以产生正负电子对。山东大学许长补教授、杨驰副研究员、博士后杨钱与合作者组成的研究组分析了位于美国布鲁克海汶国家实验室的STAR国际合作组实验采集的高能金核-金核与铀核-铀核对撞数据,测量了低横动量正负电子对的产生。在国际上首次观测到原子核对撞中产生夸克胶子等离子体的同时伴随由光子-光子对撞产生的低横动量正负电子对。以此为基础,团队首次提出该过程产生的正负电子对会在夸克胶子等离子体中的电磁场中发生偏转,从而使正负电子对的横动量谱展宽;并基于合作者的理论模型进行了此展宽效应的模拟研究。基于实验测量的模拟计算得到的磁场在10的14次方特斯拉量级,远超迄今为止最强的人造磁场(约100特斯拉),可以比拟甚至超过脉冲星的磁场(10的7次方至14次方特斯拉)。这一发现为夸克胶子等离子中强电磁场研究提供了直接测量途径,为寻找夸克胶子等离子体中的电磁场并研究由此诱导的手征磁效应、量子反常输运等迈出了重要一步。模拟结果和实验数据一起发表在这期的Physical Review Letters上。

山东大学于2008年加入STAR国际合作组,成为STAR合作组在美国以外的唯一实验研究自旋物理的合作组单位。近两年团队引进的年轻老师在该国际合作组中扮演重要角色:杨驰副研究员一直致力于双轻子的测量,是该物理组的召集人,易立教授是喷注物理组的召集人。实验物理研究离不开探测器。目前,由山东大学徐庆华教授主持,山东大学、上海应用物理研究所和中国科学技术大学共同承担的STAR探测器最关键的时间投影室内扇区(iTPC)升级项目进展顺利。同时,山东大学STAR组还在承担STAR前向升级径迹探测器的研发任务,包括硅微条探测器(Silicon)研发和微条窄隙室(sTGC)研发。这些探测器升级和研发将会极大的提高相关物理测量的精度和接收度。

STAR国际合作组由来自14个国家66个单位的660多位科研人员组成。中国大陆参加STAR国际合作组的有复旦大学、湖州师范学院、华中师范大学、清华大学、山东大学、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、中国科学院上海应用物理研究所8家高校和科研单位。山大STAR组的该项研究受到了国家自然科学基金委、科技部和山东大学等的资助。


【供稿单位:青岛校区政工处    作者:徐庆华             编辑:新闻中心总编室    责任编辑:王莉莉  】

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