中国科大提出涡旋场下相对论自旋流体演化方程
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近日，中国科学技术大学中高能核物理课题组在相对论自旋流体力学研究中取得重要进展，提出了涡旋场下相对论自旋流体的演化方程，为理解相对论重离子碰撞中强相互作用物质的自旋极化现象提供了新的理论框架。相关成果以“Relativistic Spin Hydrodynamics with Antisymmetric Spin Tensors and an Extension of the Bargmann-Michel-Telegdi Equation”为题，5月6日在线发表于《物理评论快报》。
相对论重离子碰撞是实验室中研究极端强相互作用物质的重要手段。在这一类实验中，两个重原子核被加速到接近光速后发生碰撞，从而产生极端高温、高密的强相互作用物质，即夸克胶子等离子体。因此，相对论重离子碰撞为研究极端条件下强相互作用物质的性质提供了重要实验平台。
2005年，梁作堂院士与王新年教授开创性地预言了相对论重离子碰撞中的自旋极化现象。在相对论重离子非对心碰撞中，碰撞系统携带巨大的初始轨道角动量，该角动量可能通过自旋-轨道耦合使末态粒子的自旋更倾向于沿初始角动量方向排列。因此，实验上有可能观测到Λ超子沿初始轨道角动量方向的整体极化现象。2017年，RHIC-STAR国际合作组首次在实验中观测到相对论重离子碰撞中Λ和反Λ超子的整体极化。该发现表明，碰撞产生的夸克胶子等离子体具有极强的局域涡旋场，是迄今发现的旋转速度最快的流体。相关成果发表于《自然》杂志，并入选封面文章，引发了国际学界的广泛关注。如何从理论上描述这种由强相互作用主导的相对论性夸克物质中的自旋演化，已成为当前高能核物理领域的重要前沿问题。
在经典电动力学中，Bargmann-Michel-Telegdi（BMT）方程是描述带电粒子自旋在电磁场中如何演化的基本方程。然而，相对论重离子碰撞中产生的是具有强涡旋场和强集体运动的极端热密物质，其物理环境远超传统电磁场中的单粒子自旋进动问题。因此，如何将BMT方程推广到相对论流体，特别是强涡旋场和耗散效应共同存在的情形，是建立自旋流体力学理论的关键问题之一。
针对这一问题，中国科学技术大学浦实教授、研究生王栋林和方硕，与日本东京大学Kenji Fukushima教授合作，从热力学第二定律和系统基本守恒方程出发，构建了基于反对称自旋张量的相对论自旋流体力学框架，并推导出涡旋场下的自旋演化方程，即扩展的BMT方程。该方程表明，在相对论流体中，自旋的演化不仅受到涡旋场引起的自旋-轨道耦合作用影响，还会与宏观流体中的耗散效应发生耦合。这一结果为系统研究相对论重离子碰撞中的自旋输运、自旋极化以及自旋与涡旋场之间的相互作用提供了新的理论工具。
该论文按照国际惯例以作者姓氏排序。中国科学技术大学浦实教授为论文通讯作者，研究生王栋林和方硕是理论计算工作的主要贡献者。
该研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院等单位的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/59j2-5sm2
（粒子科学与技术中心、近代物理系、物理学院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-3-5789.html中国科大提出涡旋场下相对论自旋流体演化方程
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