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电磁场效应在重离子碰撞中的观测

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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。

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