⚛️ high-energy experiments

Spin-dependent azimuthal asymmetry of coherent J/ $\psi$ photoproduction in hadronic PbPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.36 TeV

利用来自 5.36 TeV PbPb 碰撞的 CMS 数据，本研究首次观测到相干光生 J/ $\psi$ 介子中显著的负自旋相关方位角不对称性，证实了一个关于介子继承入射光子线性极化的理论模型，并提出了一种确定反应平面的新方法。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-09-07

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原作者： CMS Collaboration

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在高能物理领域，科学家们不仅将宇宙视为粒子的集合，更将其视为光与物质在极端条件下相互作用的舞台。当重原子核（如铅）被加速到接近光速并相互撞击时，它们会产生巨大的电磁场。这些场犹如一股真实的、由光子（即光粒子）组成的洪流，可以在原子核本身尚未接触的情况下撞击其他原子核。这一过程允许研究人员创造出被称为矢量介子的短寿命粒子，它们本质上是构成普通物质的粒子的“重型亲戚”。一个关键问题在于，这些新生成的粒子的自旋（或内在旋转）如何影响它们的分裂方式。通过研究碎片飞行的方向，物理学家希望理解光如何转化为物质的基本规律，以及碰撞的几何形状如何塑造最终的结果。

一位使用大型强子对撞机中 CMS 探测器的研究人员，通过观察铅-铅碰撞中一种特定类型的粒子衰变，为这个问题提供了一个清晰的答案。实验是在 5.36 万亿电子伏特的碰撞能量下进行的，在这个尺度上，量子力学和相对论的定律以戏剧性的方式展开。该团队关注一种被称为 J/psi 的粒子，它是一种由粲夸克及其反物质伙伴组成的矢量介子。在这项研究中，J/psi 介子并非由原子核本身的剧烈碰撞产生，而是由一个原子核发出的光子与另一个原子核相互作用而生成的。这些粒子随后衰变为一对缪子（muons），即电子的重质量版本。研究人员测量了缪子相对于碰撞取向的发射角度，特别是在寻找能够揭示 J/psi 自旋影响的模式。

该分析依赖于从 1.26 反纳靶（inverse nanobarns）碰撞中收集的数据，这一特定的数据量使研究人员能够分离出那些 J/psi 介子被“相干生成”的稀有事件，即光子是与整个原子核作为一个整体进行相互作用，而非与单个质子或中子发生作用。科学家检查了缪子飞行路径的分布，并发现了一种明显的、重复的模式。缪子并非向随机方向飞行，而是表现出相对于碰撞平面的特定角度偏好。这种模式通过一个代表调制强度的数值来量化，研究人员测得该值为负。这个负值以极高的统计确定性出现，超过了五个标准差，这是物理学家用来宣布一项确定性发现的阈值。

至关重要的是，研究发现这种模式并不随碰撞的中心度或 J/psi 介子在碰撞区域内的产生位置而改变。结果在不同条件下的连贯性表明存在一种稳健的底层物理机制。该发现符合一个理论模型，即 J/psi 介子继承了创造它的光子的极化（或方向对齐）特性。由于光子的极化与碰撞的几何形状相关联，因此 J/psi 的衰变产物实际上映射出了原始撞击的方向。这一观察证实了衰变产物的自旋是至关重要的；具有特定类型自旋的缪子，其行为与在其他粒子研究中观察到的派（pions）有所不同。

这项工作首次在强子碰撞中清晰地观察到了这种在相干生成的矢量介子衰变中的自旋相关效应。它验证了这样一个观点：初始光子的极化通过介子的创建被保留下来，并印刻在其衰变产物上。此外，这项研究表明，碰撞的方向（通常难以精确确定）可以通过这些粒子的极化来推断。这提供了一种测量重离子碰撞几何形状的新型独立方法，对于研究传统方法难以应对的小型碰撞系统可能特别有用。研究结果为光诱导相互作用中的自旋动力学提供了一个直接的窗口，证实了创造粒子的光的指向决定了该粒子解体时的方向。

技术摘要：强子 PbPb 碰撞中相干 $J/\psi$ 光致产物的自旋相关方位角不对称性

问题与动机
在超相对论性重离子碰撞中，原子核强烈的电磁场可以被建模为准实光子的通量。这些光子可以涨落成虚夸克-反夸克对，并通过色单态胶子交换与另一个原子核相互作用，从而产生实矢量介子（例如 $J/\psi$ 、 $\rho^0$ ）。虽然相干光致产过程在超外围碰撞（UPC）中已被广泛研究（在 UPC 中，碰撞参数大于两个原子核半径之和），但该过程也发生在强子碰撞中。

一个关键的理论预测是，来自洛伦兹收缩电磁场的线性偏振光子会将其偏振传递给相干产生的矢量介子。这种偏振应表现为相对于介子衰变产物偏振轴的二阶谐波调制（ $\cos(2\phi)$ ）。以往在 UPC 中的测量依赖于不可区分产生路径（即其中一个原子核作为光子源）之间的量子干涉，从而将介子的横向动量（ $p_T$ ）与其偏振联系起来。然而，这种干涉在较大快度或非对称系统中会被抑制，且对于像 $J/\psi$ 这样的大质量介子的衰变轻子，精确确定 $p_T$ 方向非常困难。

本文解决的核心问题是在强子碰撞中直接观测相干光致产生的矢量介子的自旋相关方位角不对称性，且该观测独立于量子干涉效应。本文建议使用由带电粒子流重建的二阶事件平面（ $\Psi_2$ ），作为碰撞参数方向（以及随之而来的光子偏振轴）的鲁棒代理指标。

方法论
本分析利用了来自 LHC 的 CMS 实验数据，对应于质子-质子中心能量为 $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV 的铅-铅（PbPb）碰撞，数据采集于 2023 年，集成亮度为 1.26 nb $^{-1}$ 。

事件选择： 使用要求在前向强子量热器（HF）中有能量沉积并在零度量热器（ZDC）中有中子候选者的最小偏差触发进行事件选择。离线处理时，事件被限制在 50–80% 中心度类中，以确保显著的相干贡献并控制背景。要求原初顶点沿束轴与相互作用点之间的距离在 25 cm 以内。
信号重建： 通过 $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ 衰变重建 $J/\psi$ 介子。μ 子必须满足“软 μ 子”识别标准，并位于由 $\eta$ 相关的 $p_T$ 下限定义的有效相空间内。μ 子对的不变质量要求在 2.6 到 4.2 GeV 之间。
事件平面确定： 利用由 $0.3 < p_T < 3.0$ GeV 且 $|\eta| < 2.4$ 的轨迹导出的流矢量（ $Q_2$ ）重建二阶事件平面角（ $\Psi_2$ ），并排除与所选 $\mu$ 子对相关的轨迹以避免自相关。事件平面分辨率通过使用 HF 量热器的三子事件法进行确定。
不对称性测量： 在 $J/\psi$ 静止系中测量正 $\mu^+$ 的方位角（ $\phi_{\mu^+}$ ）。感兴趣的变量是 $\Delta\phi = \phi_{\mu^+} - \Psi_2$ 。 $\Delta\phi$ 的分布被分箱并拟合为形式 $N(\Delta\phi) = C(1 + 2A_2^{obs}\cos(2\Delta\phi))$ 。
背景与效率校正：
- 通过选择低横向动量（ $p_T < 0.2$ GeV）的候选者来隔离相干 $J/\psi$ 信号，在此区域相干贡献占主导地位。
- 通过从高 $p_T$ 区域（强子过程占主导区域）外推 $p_T$ 能谱来估计并减去非相干及强子产物的贡献。
- 使用嵌入在 HYDJET 事件中的模拟（用于相干过程的 STARLIGHT 和用于强子过程的 PYTHIA）来校正探测器接受度和重建效率，并应用数据-模拟比例因子。
- 观测到的振幅 $A_2^{obs}$ 经过事件平面分辨率校正后得到物理不对称性振幅 $A_2$ 。

关键结果
分析得出了相干光致 $J/\psi$ 介子 $\mu$ 子具有统计显著性的负方位角不对称性：

测得振幅： $A_2 = -0.194 \pm 0.022 \text{ (stat)} \pm 0.018 \text{ (syst)}$ 。
显著性： 结果偏离零超过五个标准差。
依赖性： $A_2$ 值对 $J/\psi$ 快度（ $1.6 < |y| < 2.4$ ）或碰撞中心度（50–80%）均无显著依赖性。
理论比较： 测得的负振幅与理论模型（Wu 等人和 Shao 等人）一致，这些模型预测 $J/\psi$ 继承了入射光子的线性偏振，而该偏振与碰撞参数（以及事件平面）相关。考虑了由于参与核子导致的局部相干性损失的 Wu 等人的模型，在所有中心度和快度区间内都能很好地描述数据。相比之下，基于碰撞参数依赖饱和模型的 Shao 等人的模型预测了由不同光子螺旋度状态之间的干涉引起的负 $A_2$ 值；然而，其预测的调制振幅系统性地比测量值大出约两倍。

意义与主张
本文声称，首次观测到在强子碰撞中相干光致产生的矢量介子衰变的自旋-1/2 $\mu$ 子的负调制方位角不对称性。这一发现，结合此前对 $\rho^0$ 衰变的自旋-0 $\pi$ 子正调制的测量，提供了相干光致矢量介子衰变产物中存在自旋态依赖性的直接实验证据。

此外，本文断言，观察到的衰变产物与二阶事件平面之间的相关性证明了事件平面可以作为强子碰撞中相干光致矢量介子偏振方向的实验鲁棒代理指标。与依赖量子干涉的方法不同，该方法适用于广泛的快度范围和不同的碰撞系统。作者指出，这种相关性提供了一种对非流效应（nonflow effects）和逐事件涨落几乎独立的反应平面确定新方法，这对于研究较小碰撞系统（如质子-原子核碰撞）中的集体行为可能具有重要价值。

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