图 相对论重离子碰撞中整体极化示意图和矢量介子自旋整体极化测量原理图
在国家自然科学基金项目（批准号：11890710、12025501、12147101）等资助下，复旦大学马余刚院士课题组与合作团队首次在RHIC-STAR重离子碰撞实验中观测到反应末态粒子的整体自旋排列现象，该成果为研究夸克—胶子等离子体（QGP）中的强相互作用提供了一个新方向。研究成果以“相对论重离子碰撞中φ和K*0介子的整体自旋排列模式（Pattern of global spin alignment of φ and K*0 mesons in heavy-ion collisions）”为题，于2023年1月18日在线发表于《自然》（Nature）期刊。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05557-5。
自旋是基本粒子具有的内禀角动量。如果把自旋的粒子想象成旋转的陀螺，与陀螺转轴方向类似，粒子的自旋也存在方向。非对心的相对论重离子碰撞会沿着反应平面法线方向产生巨大的轨道角动量，该角动量会以流体涡旋的形式传递到QGP中，QGP中的粒子可通过自旋—轨道相互作用产生自旋极化，这一相对反应平面方向的自旋极化效应称为“整体极化”效应。
研究团队建立方法，测量了相对论重离子碰撞中φ和K*0介子的整体自旋排列：通过跟踪这些粒子的衰变产物相对于反应平面法线方向的角分布，将其转换为母粒子处于三种自旋状态的概率，从而实现母粒子的自旋排列密度矩阵的测量（图）。在没有整体自旋排列信号时，测量的粒子处于三种自旋状态的概率相同，正如K*0介子结果所示；但对于φ介子，其自旋处于某一种状态的概率高于其他两种状态，在实验中首次观测到了粒子的整体自旋排列现象。
这一实验现象可通过在高温高密核物质中引入强相互作用的局部涨落理论来定性解释。该研究工作确定了高温高密核物质“整体极化”新效应，实证了中国理论核物理学家提出的超子和矢量介子的自旋整体极化理论，为强相互作用的研究提供了新方向。