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图 夸克胶子等离子体中的正反夸克偏转示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：11890710、12025501、12147101）等资助下，复旦大学马余刚教授团队联合美国布鲁克海汶实验室、加利福尼亚大学洛杉矶分校、中国科学院近代物理研究所等RHIC-STAR国际合作组成员在高能重离子碰撞中的极端电磁场研究方面取得进展，首次在高能重离子碰撞实验中观测到超强磁场影响下带电粒子的直接流劈裂效应，为研究强磁场下的夸克胶子等离子体性质及碰撞产生的磁场演化问题提供了新的实验数据。以“在相对论重离子对撞机上通过重离子碰撞中电荷相关的直接流测量观测电磁场效应（Observation of the Electromagnetic Field Effect via Charge-Dependent Directed Flow in Heavy-Ion Collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider）”为题，于2024年2月23日在线发表于《物理评论X》（Physical Review X）期刊，论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.011028。
在高能重离子碰撞实验中，两束重离子加速到接近光速并发生对撞，产生退禁闭的夸克胶子等离子体（QGP）。在非对心碰撞中，理论计算表明质心能量为200 GeV的金核-金核对撞过程产生的磁场强度可达1018高斯，强度约为中子星磁场的一千倍。在该磁场条件下，QGP可能产生一系列重要的物理过程，这些物理过程可以丰富人类对强相互作用的认识。然而，重离子碎片在碰撞区产生的磁场会在真空中迅速衰减，其在QGP中的强度测量是一个巨大的挑战。
针对这一关键科学问题，研究团队利用带电粒子在电磁场中的运动学性质（图），首次观察到了电荷依赖的粒子直接流劈裂。带电粒子的直接流劈裂具有明显的碰撞中心度依赖性。在最中心碰撞中几乎没有核碎片，磁场最小，而随着偏离中心碰撞，磁场逐渐增大。通过对带有相反电荷的正反π介子、正反K介子、正反质子对的测量显示在接近中心碰撞时其劈裂可用来自输运夸克的贡献来解释，而在远离中心碰撞时其劈裂才与电磁效应的计算一致。该研究支持QGP中存在电磁场，为进一步研究QGP与电磁场的相互作用、碰撞能量依赖等关键问题提供了实验依据。