电磁场效应在重离子碰撞中的观测

一篇最近发表在《自然》杂志上的论文，它报道了在相对论重离子对撞机（RHIC）上观测到的电磁场效应，通过带电粒子的定向流（v1）来探测。这是一个非常有趣和重要的发现，因为它揭示了在极端条件下，电磁场和强相互作用之间的耦合，以及它对夸克-胶子等离子体（QGP）的性质的影响。

背景

我们知道，物质是由原子组成的，而原子又是由核和电子组成的。核是由质子和中子组成的，而质子和中子又是由夸克和胶子组成的。夸克是最基本的构成物质的粒子，而胶子是传递强相互作用的粒子，它们把夸克紧紧地粘在一起形成核子。在正常的条件下，夸克和胶子是被束缚在核子内部的，我们不能直接观测到它们。但是，如果我们把物质加热到非常高的温度，或者把它压缩到非常高的密度，那么夸克和胶子就会从核子中解放出来，形成一种新的物质状态，叫做夸克-胶子等离子体。这种状态可能存在于宇宙早期的微秒之内，也可能存在于一些致密的天体，如中子星的内部。

为了在实验室中产生和研究 QGP，物理学家使用了一种特殊的装置，叫做相对论重离子对撞机。这种装置可以把重的原子核（如金或铅）加速到接近光速，然后让它们在一个非常小的空间内相互碰撞。这样，就会产生一个非常高的温度和密度的区域，其中夸克和胶子可以自由地运动，形成 QGP。然后，我们可以通过探测器来测量从碰撞中飞出来的各种粒子，来推断 QGP 的性质和行为。

在相对论重离子对撞机上，物理学家使用了两个探测器，叫做 STAR 和 PHENIX，来进行这样的实验。他们发现，当两个重核相互碰撞时，会产生一个非常强的电磁场。这个电磁场是由于两个重核的电荷和速度产生的，它的方向和碰撞平面垂直，而且随着时间的推移而衰减。这个电磁场对 QGP 中的带电粒子有着重要的影响，它会使它们在垂直于碰撞平面的方向上有一个偏转，这个偏转的方向和粒子的电荷有关。这个现象叫做电磁场效应，它可以通过测量带电粒子的定向流（v1）来探测。定向流是指粒子在碰撞平面内的偏离角度的分布，它反映了 QGP 的各向异性和动力学。如果电磁场效应存在，那么正负电荷的粒子的 v1 应该有一个相反的符号，而且随着碰撞参数（即碰撞的偏心度）的增加而增加。

方法

为了观测电磁场效应，物理学家使用了 STAR 探测器的数据，其中包括了从2010年到2017年之间的金-金碰撞，以及从2014年到2016年之间的铅-铅碰撞。他们选择了一些特定的条件，来提高电磁场效应的信号，例如：

• 选择了中心度为 20% 到 50% 的碰撞，这些碰撞有较大的偏心度，从而产生较强的电磁场。
• 选择了碰撞能量为 19.6 GeV 和 200 GeV 的碰撞，这些碰撞有较长的寿命，从而使电磁场效应有足够的时间发挥作用。
• 选择了赝快度为 -1 到 1 的粒子，这些粒子是在碰撞中心附近产生的，从而受到电磁场效应的最大影响。
• 选择了横动量为 0.15 GeV/c 到 2 GeV/c 的粒子，这些粒子有较小的背景噪声，从而提高了信噪比。

然后，他们使用了一种叫做事件平面法的技术，来计算带电粒子的 v1。这种技术是基于以下的假设：在每次碰撞中，都会形成一个椭圆形的 QGP，其主轴的方向是随机的，但是可以通过测量中性粒子的能量分布来估计。这个方向叫做事件平面的方向，它可以作为碰撞平面的近似。然后，他们可以计算每个带电粒子相对于事件平面的偏离角度，从而得到它们的 v1。最后，他们对不同的碰撞能量、中心度、赝快度和横动量的区间进行了平均，得到了正负电荷的粒子的 v1 的差值，作为电磁场效应的信号。

结果

他们的结果显示了一个明显的电磁场效应的证据，即正负电荷的粒子的 v1 的差值随着碰撞参数的增加而增加，而且在两种不同的碰撞能量下都有相似的趋势。这个结果与理论预测的符号和大小都一致，从而验证了电磁场效应的存在。他们还发现，这个效应对粒子的赝快度和横动量也有一定的依赖性，这可能反映了 QGP 的演化和粒子的冻结过程的复杂性。