中国科大在J/ψ光生过程中发现自旋干涉的实验证据

中国科学技术大学重离子碰撞实验课题组在STAR国际合作组中发挥主导作用，利用美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）采集的超周边重离子碰撞数据，在J/ψ介子光生过程中发现了自旋干涉的实验证据。该研究将矢量介子光生过程中的自旋干涉测量从轻矢量介子ρ⁰推进到重味矢量介子J/ψ，直接检验了末态粒子自旋结构对干涉调制行为的影响。相关成果以“Evidence of Spin-Interference Effects in Exclusive J/ψ→ e⁺e⁻ Photoproduction in Ultraperipheral Heavy-Ion Collisions”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

图1.矢量介子相干光生过程中的自旋干涉示意图。左：ρ⁰→π⁺π⁻通道；右：J/ψ→e⁺e⁻通道。

图2.J/ψ光生过程中cos（2φ）调制幅度随横动量的变化。左图为Au+Au数据，右图为Ru+Ru和Zr+Zr数据。

在超周边重离子碰撞中，两个高速原子核彼此掠过而不发生强相互作用碰撞。此时，原子核携带的强电磁场可等效为准实光子束，且光子在横向平面内具有很强的线性极化。光生过程中产生的矢量介子会继承光子的自旋取向，其衰变产物的角分布因而对自旋方向敏感。由于两个原子核均可作为光子源或作用对象，同一末态可由两条不可区分的产生路径形成；两条路径的相干叠加表现为衰变产物角分布中的自旋干涉调制。

STAR合作组此前已在ρ⁰介子光生过程中观测到cos（2φ）型角关联调制，中国科大课题组为该工作作出了重要贡献。但ρ⁰介子寿命很短，在其波函数充分重叠前已经衰变，实验上观测到的自旋干涉信息主要由π⁺π⁻衰变产物携带。而由于π介子是自旋为0的玻色子，仅凭ρ⁰通道尚难以直接检验末态粒子自旋结构对干涉符号的影响。

J/ψ介子为这一检验提供了新的窗口。J/ψ寿命对应的飞行距离约为2160费米，远大于超周边碰撞中两个原子核之间几十费米的典型距离，使来自两个产生源的J/ψ波函数能够在衰变前发生重叠。同时，J/ψ衰变为e⁺e⁻，末态电子和正电子为自旋1/2的费米子。实验结果显示，J/ψ→e⁺e⁻通道中的cos（2φ）调制符号与ρ⁰→π⁺π⁻通道相反，表明末态粒子的自旋结构会改变量子相干过程中的干涉调制行为。

研究团队分析了STAR探测器在200 GeV能量下采集的金核-金核、钌核-钌核和锆核-锆核超周边碰撞数据。结果显示，在低横动量区域，J/ψ→e⁺e⁻通道呈现稳定的负cos（2φ）调制趋势，与ρ⁰通道的正调制形成清晰对照。该结果为自旋干涉效应提供了新的实验证据，也为研究矢量介子光生过程中的自旋量子相干和末态自旋关联提供了重要参考。

STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机上的大型国际合作组，由来自14个国家和地区的780余名科研人员组成。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院等单位资助。中国科学技术大学查王妹教授、唐泽波教授和博士研究生王恺扬为STAR合作组中该论文的主要作者。王恺扬博士学位论文工作是该文章的核心内容。

论文链接：https://doi.org/10.1103/tcdb-ldh8

（物理学院、科研部）