中国科学技术大学查王妹、唐泽波与科大校友杨帅等组成的研究团队，在STAR国际合作组中发挥重要作用，首次发现非超擦边高能原子核对撞中极低横动量正负电子对的产额有反常增强，并通过数据和理论模型计算相结合指出该反常增强源自光子-光子对撞，观测到的横动量展宽可能产来自新物质形态——夸克胶子等离子体中的强电磁场在费米尺度的偏转作用。这为极端条件下夸克物质的特性研究打开了一扇新的大门。研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 132301 (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.132301) 和Phys. Lett. B781 (2018) 182 (https://doi.org/10.1016/j.physletb.2018.04.006)。
非超擦边高能原子核对撞示意图
高能原子核对撞会产生一种由夸克和胶子组成的新物质形态——夸克胶子等离子体。主导该物质形态性质的相互作用是强相互作用。因此，高能原子核对撞实验是研究强相互作用特别是长程强相互作用的理想场所。由于原子核带电，高能原子核还会产生自然界最强的电磁场（10的14次方特斯拉）。强电磁场下夸克胶子等离子体可被用于研究一些非常重要的基本物理问题，如手征对称恢复、量子反常输运等，是近年来高能核物理的研究前沿。但是，高能原子核对撞实验中迄今为止还没有找到夸克胶子等离子体中强电磁场存在的证据。
费米在1924年指出高速运动的电荷产生的电磁场与光子的电磁场非常类似，可以等效为大量沿电荷运动方向运动的准实光子。这些准实光子相互作用可以产生横动量极低的正负电子对。我校查王妹、唐泽波和科大校友等组成的研究组分析了美国布鲁克海汶国家实验室相对论重离子对撞机上STAR实验的高能金核-金核与铀核-铀核对撞数据，测量了极低横动量正负电子对的产生。首次观测到非超擦边原子核对撞中极低横动量正负电子对产额的反常增强。为了验证该反常增强是否来自于光子-光子相互作用，该团队建立了理论模型，首次计算了非超擦边高能原子核对撞中光子-光子对撞贡献的正负电子对产额，发现其与实验结果高度相符，强烈预示着非超擦边高能原子核对撞中相干光子-光子相互作用存在的可能性。研究团队进一步发现实验观测到的横动量谱分布比光子-光子作用产生的横动量谱更宽，这可能是由于光子-光子产生的极低横动量正负电子对在夸克胶子等离子体中的电磁场中发生了偏转。理论模型中加入磁场效应后可以很好地描述实验测量结果。这一发现为夸克胶子等离子中强电磁场的存在提供了可能的证据，为寻找夸克胶子等离子体中的电磁场并研究由此诱导的手征磁场效应、量子反常输运等迈出了重要一步。
该研究团队9位科研人员中有8位毕业于我校，其中7位获得我校学士学位，7位获得我校博士学位。此次研究成果是杨帅博士论文的重要组成部分。他2016年6月毕业于中国科学技术大学，现为布鲁克海汶国家实验室博士后。我校物理学院教师查王妹和唐泽波在实验和理论分析中做出了重要贡献。我校主导研制的STAR飞行时间探测器在该实验研究中发挥了关键作用。STAR国际合作组由来自14个国家66个单位的660多位科研人员组成。中国大陆参加STAR国际合作组的有复旦大学、湖州师范学院、华中师范大学、清华大学、山东大学、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、中国科学院上海应用物理研究所8家单位。该项研究受到了国家自然科学基金委、科技部、中科院等部门的资助。
核探测与核电子学国家重点实验室