近日，复旦大学马余刚院士团队在重离子碰撞中(反)超氚核的整体极化效应理论方面取得重要进展，提出了利用重离子碰撞中(反)超氚核的整体极化效应提取其内部自旋结构的新颖方法。相关成果以标题“Deciphering hypertriton and antihypertriton spins from their global polarizations in heavy-ion collisions” 发表在物理学顶级刊物《物理评论快报》 [Phys. Rev. Lett. 134，022301 (2025)] 上。该工作由复旦大学的孙开佳青年研究员(第一和共同通讯作者)、刘代能博士研究生、郑云鹏硕士研究生、陈金辉研究员、马余刚院士和美国德州农工大学的Che Ming Ko教授合作完成。

超核是由核子和超子组成的奇特原子核体系，是研究超子-核子(Y-N)强相互作用性质的理想对象，而Y-N相互作用对于理解中子星内部结构是否含有超子自由度具有重要意义。最简单且最轻的超核是(反)超氚核(图1)，可以理解为是由一个(反)超子围绕着一对(反)核子形成的晕核结构。实验上针对(反)超氚的质量、寿命以及结合能等物理性质作了精确的测量。然而，(反)超氚的总自旋及内部自旋结构尚不完全确定。图1展示了超氚核可能的自旋宇称，均为正宇称，包括自旋1/2和3/2，其中1/2态内部中子-质子对处于自旋三重态与自旋单态两种构型。传统方法利用(反)超氚两体和三体衰变的分支比来确定其自旋。不过，该方法实验测量误差仍然较大。

图1 超氚核的自旋结构示意图。图片来源于论文

图2 超氚核的并合产生、自旋极化与两体衰变与两体衰变示意图

本研究创新性地提出通过测量重离子碰中超氚核的整体极化效应提取超氚核自旋结构的新方法。 非对心重离子碰撞(Non-central heavy-ion collision)会产生一个巨大的轨道角动量，通过自旋-轨道的耦合可以传递给碰撞末态产生的粒子，使粒子的自旋方向更加倾向于沿着轨道角动量方向排布，发生极化。重离子碰撞实验发现了超子的整体极化现象[STAR, Nature 548, 62-65 (2017)]，进一步揭示了夸克胶子等离子体(QGP)是目前实验室中旋转最快的流体。本研究率先从理论上将这种极化效应拓展至超核系统，认为重离子碰撞中产生的核子和超子通过自旋相关的并合机制形成超核时，超核的极化度将直接依赖于核子和超子的自旋极化度以及超核波函数的自旋结构(见图2)。本研究计算了三种不同自旋结构的超氚在发生宇称破坏的弱衰变过程中转变为氦-3(³He)核并伴随p介子发射时的角分布，旨在为实验测量超氚核的极化度提供理论参考。图3展示了超氚与反超氚在三种不同内部自旋结构下，其整体极化效应随能量变化的依赖关系。计算结果表明，超氚和反超氚核因内部自旋结构的差异，展现出显著不同的极化效应和衰变模式。这一发现为研究超氚核的自旋结构提供了一种全新的测量方法。

图3 超氚的整体极化效应随着对撞能量变化的依赖关系图

上面三幅图对应于不同的超氚自旋内部结构的理论预言。下面三幅图对应反超氚的理论预言。图片来源于论文

本研究关于提取超氚核自旋结构的新方法为未来实验，例如RHIC-STAR、LHC-ALICE以及基于中国HIAF装置的实验，提供了理论基础与指导。此外，本研究关于超核内部结构、产生机制以及粒子极化效应的交叉研究打开了研究(反物质)原子核极化效应的新窗口，具有重要的理论和实验价值。

该研究工作得到了上海市自然科学基金、科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、基金委上海核物理理论中心、高等学校“重离子物理学科”创新引智计划等项目资助。