一篇最近發(fā)表在《自然》雜志上的論文，它報(bào)道了在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）上觀測(cè)到的電磁場(chǎng)效應(yīng)，通過帶電粒子的定向流（v1）來探測(cè)。這是一個(gè)非常有趣和重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗沂玖嗽跇O端條件下，電磁場(chǎng)和強(qiáng)相互作用之間的耦合，以及它對(duì)夸克-膠子等離子體（QGP）的性質(zhì)的影響。

背景

我們知道，物質(zhì)是由原子組成的，而原子又是由核和電子組成的。核是由質(zhì)子和中子組成的，而質(zhì)子和中子又是由夸克和膠子組成的。夸克是最基本的構(gòu)成物質(zhì)的粒子，而膠子是傳遞強(qiáng)相互作用的粒子，它們把夸克緊緊地粘在一起形成核子。在正常的條件下，夸克和膠子是被束縛在核子內(nèi)部的，我們不能直接觀測(cè)到它們。但是，如果我們把物質(zhì)加熱到非常高的溫度，或者把它壓縮到非常高的密度，那么夸克和膠子就會(huì)從核子中解放出來，形成一種新的物質(zhì)狀態(tài)，叫做夸克-膠子等離子體。這種狀態(tài)可能存在于宇宙早期的微秒之內(nèi)，也可能存在于一些致密的天體，如中子星的內(nèi)部。

為了在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生和研究 QGP，物理學(xué)家使用了一種特殊的裝置，叫做相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)。這種裝置可以把重的原子核（如金或鉛）加速到接近光速，然后讓它們?cè)谝粋€(gè)非常小的空間內(nèi)相互碰撞。這樣，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常高的溫度和密度的區(qū)域，其中夸克和膠子可以自由地運(yùn)動(dòng)，形成 QGP。然后，我們可以通過探測(cè)器來測(cè)量從碰撞中飛出來的各種粒子，來推斷 QGP 的性質(zhì)和行為。

在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)上，物理學(xué)家使用了兩個(gè)探測(cè)器，叫做 STAR 和 PHENIX，來進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)重核相互碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常強(qiáng)的電磁場(chǎng)。這個(gè)電磁場(chǎng)是由于兩個(gè)重核的電荷和速度產(chǎn)生的，它的方向和碰撞平面垂直，而且隨著時(shí)間的推移而衰減。這個(gè)電磁場(chǎng)對(duì) QGP 中的帶電粒子有著重要的影響，它會(huì)使它們?cè)诖怪庇谂鲎财矫娴姆较蛏嫌幸粋€(gè)偏轉(zhuǎn)，這個(gè)偏轉(zhuǎn)的方向和粒子的電荷有關(guān)。這個(gè)現(xiàn)象叫做電磁場(chǎng)效應(yīng)，它可以通過測(cè)量帶電粒子的定向流（v1）來探測(cè)。定向流是指粒子在碰撞平面內(nèi)的偏離角度的分布，它反映了 QGP 的各向異性和動(dòng)力學(xué)。如果電磁場(chǎng)效應(yīng)存在，那么正負(fù)電荷的粒子的 v1 應(yīng)該有一個(gè)相反的符號(hào)，而且隨著碰撞參數(shù)（即碰撞的偏心度）的增加而增加。

方法

為了觀測(cè)電磁場(chǎng)效應(yīng)，物理學(xué)家使用了 STAR 探測(cè)器的數(shù)據(jù)，其中包括了從2010年到2017年之間的金-金碰撞，以及從2014年到2016年之間的鉛-鉛碰撞。他們選擇了一些特定的條件，來提高電磁場(chǎng)效應(yīng)的信號(hào)，例如：

• 選擇了中心度為 20% 到 50% 的碰撞，這些碰撞有較大的偏心度，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。

• 選擇了碰撞能量為 19.6 GeV 和 200 GeV 的碰撞，這些碰撞有較長(zhǎng)的壽命，從而使電磁場(chǎng)效應(yīng)有足夠的時(shí)間發(fā)揮作用。

• 選擇了贗快度為 -1 到 1 的粒子，這些粒子是在碰撞中心附近產(chǎn)生的，從而受到電磁場(chǎng)效應(yīng)的最大影響。

• 選擇了橫動(dòng)量為 0.15 GeV/c 到 2 GeV/c 的粒子，這些粒子有較小的背景噪聲，從而提高了信噪比。

然后，他們使用了一種叫做事件平面法的技術(shù)，來計(jì)算帶電粒子的 v1。這種技術(shù)是基于以下的假設(shè)：在每次碰撞中，都會(huì)形成一個(gè)橢圓形的 QGP，其主軸的方向是隨機(jī)的，但是可以通過測(cè)量中性粒子的能量分布來估計(jì)。這個(gè)方向叫做事件平面的方向，它可以作為碰撞平面的近似。然后，他們可以計(jì)算每個(gè)帶電粒子相對(duì)于事件平面的偏離角度，從而得到它們的 v1。最后，他們對(duì)不同的碰撞能量、中心度、贗快度和橫動(dòng)量的區(qū)間進(jìn)行了平均，得到了正負(fù)電荷的粒子的 v1 的差值，作為電磁場(chǎng)效應(yīng)的信號(hào)。

結(jié)果

他們的結(jié)果顯示了一個(gè)明顯的電磁場(chǎng)效應(yīng)的證據(jù)，即正負(fù)電荷的粒子的 v1 的差值隨著碰撞參數(shù)的增加而增加，而且在兩種不同的碰撞能量下都有相似的趨勢(shì)。這個(gè)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的符號(hào)和大小都一致，從而驗(yàn)證了電磁場(chǎng)效應(yīng)的存在。他們還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)效應(yīng)對(duì)粒子的贗快度和橫動(dòng)量也有一定的依賴性，這可能反映了 QGP 的演化和粒子的凍結(jié)過程的復(fù)雜性。