近日，付偉杰教授與復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在夸克自旋關(guān)聯(lián)及其與QCD臨界點(diǎn)關(guān)系的理論研究方面取得重要進(jìn)展，提出利用相對(duì)論重離子碰撞中正反夸克自旋關(guān)聯(lián)作為尋找QCD臨界點(diǎn)的新探針，相關(guān)成果以題為《Fluctuations and correlations of quark spin in hot and dense QCD matter》的論文發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）[Phys. Rev. Lett. 135，032302 (2025)] 上。該工作由復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所陳浩磊博士后、大連理工大學(xué)物理學(xué)院付偉杰教授、復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系黃旭光教授、復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所馬國(guó)亮研究員合作完成，付偉杰教授為共同通訊作者。
近年來(lái)，隨著重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中整體極化現(xiàn)象的觀測(cè)，自旋相關(guān)物理受到廣泛關(guān)注。在非中心重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中，巨大的角動(dòng)量通過(guò)自旋–軌道耦合，使得產(chǎn)生的超子呈現(xiàn)出整體（或局域）自旋極化[STAR, Nature 548, 62 (2017)]。此外，實(shí)驗(yàn)還觀測(cè)到了矢量介子的自旋排列行為[STAR, Nature 614, 244 (2023)]，揭示了夸克膠子等離子體中復(fù)雜的自旋動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。另一方面，強(qiáng)相互作用物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)也是核物理研究的核心問(wèn)題之一。理論預(yù)言在量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）相圖上的有限溫度與高密度區(qū)域存在一個(gè)臨界終點(diǎn)（Critical End Point, CEP），標(biāo)志著一階相變與連續(xù)過(guò)渡的分界。然而，如何在實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確定位該臨界點(diǎn)仍是當(dāng)前研究中的重大挑戰(zhàn)。
該研究創(chuàng)新性地將高能重離子碰撞中的自旋物理與QCD相結(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)起來(lái)(圖1)。提出并系統(tǒng)分析了正反夸克自旋關(guān)聯(lián)在CEP附近的增強(qiáng)行為，并基于有效模型研究了正反夸克自旋關(guān)聯(lián)的行為特征，指出該自旋關(guān)聯(lián)可作為尋找CEP的敏感信號(hào)。結(jié)果顯示，在手征相變的臨界區(qū)域，夸克自旋關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)出明顯的峰值結(jié)構(gòu)（圖2）。進(jìn)一步探討了該效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)性，指出這種關(guān)聯(lián)的峰值結(jié)構(gòu)有望通過(guò)矢量介子的自旋排列以及超子–反超子的自旋關(guān)聯(lián)進(jìn)行探測(cè)。研究不僅為實(shí)驗(yàn)尋找CEP提供了新的理論依據(jù)，也可能解釋近期STAR束流能量掃描實(shí)驗(yàn)中較低能量下的?介子自旋排列的非單調(diào)行為（圖3）。
圖1. 夸克自旋與QCD相結(jié)構(gòu)示意圖
圖2. 包含與不包含CEP附近臨界效應(yīng)時(shí)夸克-反夸克自旋關(guān)聯(lián)的對(duì)比
圖3. 根據(jù)該研究理論分析給出的臨界現(xiàn)象對(duì)?介子自旋排列貢獻(xiàn)的示意圖（藍(lán)色虛線）。黑色實(shí)線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別來(lái)自[X.-L. Sheng, L. Oliva, Z.-T. Liang, Q. Wang, and X.-N. Wang, Phys. Rev. Lett. 131, 042304 (2023)]與[STAR, Nature 614, 244 (2023)]
該研究通過(guò)將自旋物理與QCD手征相變結(jié)合，揭示了夸克膠子等離子體中自旋與物質(zhì)相結(jié)構(gòu)之間的深層聯(lián)系，開拓了研究強(qiáng)相互作用物質(zhì)性質(zhì)的新思路，也為未來(lái)重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中探測(cè)臨界行為提供了理論支撐和潛在可觀測(cè)量。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、理論物理專款上海核物理理論研究中心等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/g1bh-85h4
