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相对论量子流体极化领域取得新突破 山大学者参与该实验
发布日期：2017年08月03日 11:28 点击次数：
［本站讯］8月3日，由山大学者在内的中国科学家参加的美国布鲁克海文国家实验室
RHIC-STAR国际合作组最新研究成果作为封面文章发表在《Nature》杂志上。该研究在
重离子碰撞中首次观测到了夸克胶子等离子体（QGP）的“整体极化”（global
polarization），发现碰撞产生的Lambda超子相对于碰撞反应平面存在明显的自旋极化
。QGP“整体极化”理论最早由山东大学梁作堂教授和长江学者讲座教授王新年于2004
年提出，论文发表在美国《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 94, 102301）上，开
创了QGP围绕自旋自由度相关物理研究的新方向。STAR实验组发表在《Nature》的实验
结果证实了该论文的预言。
位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)利用两束接近
于光速的金核对撞来模拟宇宙大爆炸，产生类似于早期宇宙的夸克胶子物质形态，被称
为夸克胶子等离子体（QGP），已经被高能重离子碰撞实验所证实，是当代高能核物理
研究的最前沿。2004年，山东大学梁作堂教授和王新年教授发现，非对心重离子碰撞过
程中参与反应的初态系统具有巨大的相对于碰撞反应面的轨道角动量，必然导致一系列
重要可测效应，这是研究轨道量子色动力学（QCD）角动量与极化效应的重要窗口。他
们建立起由动量梯度到夸克极化转移的基于QCD的计算方法，对产生的夸克系统的极化
做了计算，证明了经过相互作用，这些轨道角动量可以转化成产生出的QGP极化，首次
提出了“QGP整体极化(global polarization)”的思想，开启了QGP围绕自旋自由度相
关物理的研究,“global polarization”成为该领域的一个专用名词。STAR的实验结果
证实了QGP整体极化的存在，并且是迄今为止唯一一个实验证明QGP流体具有超高的涡旋
度，比之前研究发现在纳米尺度下产生的最高涡旋度的液氦量子超流体要高十几个数量
级。现任STAR国际合作组发言人、山东大学“千人计划”特聘教授许长补教授表示：“
该理论的创新和实验结果的发现是近几年本领域的最重要的突破，对相对论量子尺度下
流体涡旋度（vorticity）的研究有深远的物理意义。”
STAR国际合作组由来自14个国家54家科研单位的500多名研究人员组成，山东大学于
2008年成为STAR国际合作组的成员，由徐庆华教授组建课题组，一直致力于超子极化在
内的自旋物理分析工作，是在RHIC装置进行Lambda超子测量的少数几个实验组之一，并
于2009年完成质子—质子反应中Lambda超子自旋转移的首次测量。与超子整体极化测量
手段类似，课题组利用了超子衰变后产物的角分布和超子自旋的关联来探测部分子在质
子内部的分布，并用4米x4米的大型桶状时间投影室径迹探测器（TPC）观测和重建
Lambda超子衰变。除了山东大学之外，中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术
大学、中国科学院近代物理研究所、清华大学、华中师范大学等高校和科研机构也加入
了STAR中国合作组。
STAR实验对QGP整体极化的证实迅速推动了QGP自旋物理研究的开展，成为重离子碰撞物
理的一个重要前沿方向，国际上大批学者也相继从不同的方面开展了大量的研究工作。
山东大学STAR实验研究组在许长补教授的带领下于2014年开始参加STAR实验组大装置的
时间投影室径迹探测器（iTPC）升级计划，这是RHIC第二期能量扫描计划最重要的探测
器升级项目。该项目得到国家基金委重点国际合作项目和科技部973项目的部分资助，
并承担制作时间投影室丝室探测器的核心部件。iTPC探测器升级将拓展粒子测量的接收
度并提高用于粒子鉴别的能量损失的精度，对包括整体极化在内的QGP新物质态的性质
，及探测QCD相变并寻找相变临界点的实验观测有不可或缺的作用。 | f***y
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重磅 | 我校教授提出的理论已被国际实验证实！实验结果登上《自然》封面！
宇宙在最初诞生的百万分之几秒内以“夸克胶子等离子体”的形式存在，这种类似“电
浆”的状态被认为是固体、液体、气体之后的第四种物质形态。近日，我国科学家世界
首次提出的夸克胶子等离子体“整体极化”理论被美国布鲁克海文实验室重离子碰撞实
验证实，该实验室RHIC-STAR国际合作组织发言人许长补教授认为，超流体中相对论量
子的“整体极化”被证实是近年来国际高能核物理领域里的最重要突破之一。该实验结
果已经发表在8月3日出版的国际顶尖科学杂志《自然》(期刊号：Nature 548，62-65（
03 August,2017）)上并登上该期刊封面。
物质由分子构成，分子由原子构成，原子由电子和原子核组成，而原子核中的质子和中
子由更细微的夸克通过强作用力组成，这种强力作用通过胶子传递。通常情况下，夸克
被约束在中子、质子内，无法独立存在。通过美国布鲁克海文国家实验室的相对论性重
离子对撞机，科学家们让两个金原子核在接近光速下对撞，利用其对撞温度比太阳表面
温度高出3亿多倍的条件，释放出夸克和胶子，从而获得“夸克胶子等离子体”。来自
14个国家约500名科学家参与了这项实验计划。
山东大学物理学院的梁作堂教授就是这一理论的提出者之一。对于这一理论，梁作堂这
样解释：“两个金核在‘擦肩而过’式的碰撞（即非正面心对心碰撞）会导致一系列效
应，‘整体极化’便是表现之一。就像月球在围绕地球公转的同时也在自转一样，碰撞
产生的‘电浆’状夸克胶子等离子体在每秒实现10的21次方自身转速的同时，“自转”
表现出一定方向性，这种方向性类似于地球绕日公转时表现出的倾角。”
2004年山东大学梁作堂教授和王新年教授在顶级科学杂志《物理评论快报》首次提出该
理论，从而使世界高能核物理界以中国科学家提出的“Global polarization”(整体极
化)作为专用名词来命名该现象。据了解，相对论量子流体是当代自然科学多学科交叉
前沿领域，“整体极化”的发现为相对论量子流体性质的研究开启了新的窗口。
从理论到实验，心血浇灌硕果
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梁作堂教授
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王新年教授
梁作堂一直从事自旋方面的理论研究，而王新年则是重离子对撞物理方面的专家，两人
的相遇无疑为这一理论的提出提供了动力。
当年，山东大学聘请王新年做长江学者讲座教授，并且把他和梁作堂安排在一个办公室
，两个人每日都在谈论物理上的事情，交换想法。“我们两人所从事的本来是两个稍微
有差别的领域。我们两人想到，两个粒子对撞通常都是非对心碰撞，参与反应的系统会
有较大的轨道角动量。另外产生出的粒子自己又具备自旋角动量，这个相互作用可以使
它们互相转化，后来我们就进行了计算，结果显示这个效应还不小。”就是这样意想不
到的合作，让两个人在一间小小的办公室里提出了这一很有意义的理论思想和初期模型。
未经实验证实的理论是得不到认可的。正巧王新年在美国与进行此项实验的人员有很好
的联系，山东大学也有相关实验人员，二人便紧锣密鼓说服实验家投入实验。起初在高
能区的实验效应都比较小，“我们很失望，实验家也失望，但是他们很执着。”梁作堂
这样回忆实验初期的经历。
2005年，梁作堂和徐庆华去美国劳伦斯实验室访问，那时理论文章就已经发表了。在高
能区的实验正在进行，实验家反复检查，但看到的效应很小，实验结果2007年正式发表
；之后实验家进行金－金束流的“能量扫描”，终于在较低能情况下，他们看见了收获
，观测到了明显的极化效应。
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徐庆华教授
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许长补教授
STAR合作组是由来自14个国家的50多家科研单位组成，山东大学由徐庆华教授组建课题
组于2008年成为STAR国际合作组的成员，一直致力于超子极化在内的自旋物理分析工作
。STAR中国组包括山东大学、中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、中
国科学院近代物理研究所、清华大学、华中师范大学等。许长补教授于2014年作为千人
计划特聘教授加盟山大，他是现在RHIC-STAR实验这个大工程的发言人，他对整个实验
的整体状况十分了解。他说：“因为当初在高能区的实验效应太小，尽管这方面的实验
和理论都在继续进行，但这个实验课题在过去的十来里一直没有太大的进展。现在低能
区新的实验证实了有这个效应的事实存在，吸引了更多新的关注。实验和理论开始了新
一轮更加深入的研究。 ”近来很多的理论工作也发展迅速，在布鲁克海文实验室和欧
洲核子研究中心（CERN)的实验都在这个方向开展新的一轮实验研究。
正是这日复一日的尝试、推翻、摸索、沉淀，成就了最后这个令人刮目相看的成果。还
好他们坚持了下来，没有放弃每一个可能。
兴趣为大，人生是自己的选择
做基础研究在外行人看来是一件十分枯燥无味的事，往往是一个人躲在办公室或实验室
里，一呆就是一个昼夜，正是这样“枯燥”的工作成为了他们的兴趣。
“是基于人类的一种求知欲，想搞清楚物质是怎么构成的，有什么内在的物理规律。我
们的研究兴趣是探知世界甚至说宇宙的奥秘，这是基础研究。基础研究是应用研究的前
提和动力。这也是我们国家为什么重视基础研究。只有基础做好了，才有可能去衍生先
进的应用。”徐庆华的一席话让姗姗陡然敬佩。
一份兴趣，让世界各地的相关人员向一个地方聚集，成果为世界共享，在基础研究的领
域里从来不存在“专利”。想去搞清楚一件事，本身就足够吸引人。“做高等物理实验
也是我认为做国际合作的最好的一个领域了。这500多科学家因为好奇心聚在一起，彼
此协作，然后把一个事情做好。大家都在挑战自己的极限，发挥自己最大的能力。” |
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