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重離子對撞物理中的新發現:世界上旋轉最快的物質

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撰文者:楊毅
發文日期:2018-11-05
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  • 探索並了解自然界的規律與特性一直都是物理學家的最終目標,而高能物理學家則是專注於自然界中基本粒子與其之間交互作用力的關係。目前基本交互作用力被分為四類,包括了電磁、弱作用、強作用以及重力。電磁與弱作用的特性已經從很多實驗結果中有比較清楚的了解,但是強作用(量子色動力學)卻還有很多未知的地方。


    STAR實驗是位於美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory, BNL)中相對論性重離子對撞機(Relativistic Heavy-Ion Collider, RHIC)的重要實驗。STAR從2000年開始運行,其主要目的在探討量子色動力學中的特性。總共有約13個國家、60幾所研究單位共同參與此實驗,是一個重要的國際合作計畫,而國立成功大學也是其中重要的成員之一。

     

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    在重離子對撞中高溫與高能量密度的環境會產生一種新的物質態,稱之為『夸克-膠子電漿態』(Quark-Gluon Plasma, QGP),而在QGP中夸克與膠子間的交互作用非常小,近乎於自由態,並且QGP出乎意外的表現與完美流體非常類似。除此之外,由於兩個對撞的重離子都帶有相當大的角動量,因此有很多理論推測這些角動量會傳遞到在對撞時產生的QGP中,也就是所謂的『全域極化(global polarization)』。在QGP中粒子的自旋會透過『自旋與軌道角動量的偶合』而對其自旋方向有顯著的影響。因此研究這種在QGP中特別的現象,能夠讓我們更了解量子色動力學的基本性質。

     

    在STAR實驗中,我們利用Lambda粒子衰變到proton與pion的事件來測量全域極化率。由於pion粒子本身沒有自旋,所以proton的自旋將與Lambda粒子的自旋方向非常相似。藉由測量proton的極化率(polarization),就能讓我們回推出Lambda的極化,更進一步可以推出整個系統的極化率,也就是全域極化。在之前200 GeV金離子對撞的數據中,Lambda粒子並沒有明顯的極化現在。

    “  而在RHIC的『第一階段能量掃描計畫』(Beam Energy Scan I, BES I)中,我們從7.7 – 39 GeV金離子對撞能量的數據中,測量到了明顯大於0的極化率,而推算出的系統角動量顯示這個系統旋轉的非常快,比現在已知所有物質,不論是自然的還是人造的,都要快上好幾個數量級,因此成為了現在已知旋度最大的物質。

    這對於讓我們了解QCD以及QGP有重要的影響[1]。

     

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    目前的測量結果有較大的統計誤差,所以為了讓我們能更了解這個有趣且特別的現象,我們一定要收集更多的數據,並且在不同的物理變量中(例如方向與能量)進行量測QGP的全域極化率。因此STAR探測器將在前置方向(對撞粒子的前進方向)進行重要的升級工作,成功大學的高能實驗組參與了『前置矽軌跡探測器』的研發與製作,主要負責探測元件以及探測器支架的設計與製作。此計畫將與國家奈米元件中心以及漢翔航工共同合作完成,並預計將在2022年開始收取數據,希望能藉此讓我們更了解量子色動力學的奧妙。

     

    國立成功大學物理系 楊毅助理教授 2018-10

     

    參考文獻:

    [1] L. Adamczyk et al. (STAR Collaboration), “Global Λ hyperon polarization in nuclear collisions,” Nature 548, 62 (2017).

     

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