研究领域：

中高能核物理理论（高能核物理唯象理论）

高能核物理是粒子物理、核物理、凝聚态物理的交叉学科，主要研究量子色动力学（Quantum Chromodynamics）物质性质。

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研究背景：

（1）量子色动力学与解禁闭相变

世界上最基本的相互作用分为强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力。强相互作用主要描述的是核子（质子和中子）之间的相互作用。核子是由夸克和胶子组成的。量子色动力学是描述夸克胶子之间相互作用的基本理论。量子色动力学耦合常数alpha_s会随着能标的增大而减小（如下左图），从而导致夸克会被禁闭在强子内部，我们无法观测到自由的夸克，这一现象被称为渐进自由（Asymptotic freedom）。David Gross、H.D. Politzer、Frank Wilczek由于发现渐进自由被授予2004年诺贝尔物理学奖。

可以类比气液相变，量子色动力学也有禁闭与解禁闭相变（如下右图所示）。为了研究解禁闭相变，李政道先生及Collins在上世纪70年代提出，可以通过相对论重离子碰撞的方法使得强子达到解禁闭，从而行成一种新的物质形态。（下左图是我国著名画家李可染大师根据李政道先生的想法画的漫画“核子重如牛，对撞出新态”。）

（2）相对论重离子碰撞与夸克胶子等离子体

相对论重离子碰撞是研究量子色动力学解禁闭相变及夸克物质的重要研究手段。在相对论重离子碰撞中，两个重离子被加速到接近光速发生碰撞，从而产生由夸克和胶子组成的强相互作用主导的等离子体——夸克胶子等离子（Quark Gluon Plasma）。此后，夸克胶子等离子会继续膨胀冷却，最终发生强子化变成各类强子被探测器所观测到。人们通过研究末态强子、轻子的各种信息，反推夸克胶子等离子演化的信息。下图是夸克胶子等离子演化的示意图。

夸克胶子等离子体被认为是第五种新型的物质形态，也被认为是宇宙大爆炸极端早期的形态。因此，研究夸克胶子等离子不仅对人们理解强相互作用有着至关重要的作用，也与宇宙的演化等有深层次的关联。

（3）迄今为止最强的电磁场

伴随相对论重离子碰撞将产生迄今为止最强的电磁场和旋转最快的小系统，其磁场强度可以高达1018高斯。极强的电磁场可以诱导出大量新奇的量子输运现象。其中最为著名的是手征磁效应(Chiral Magnetic Effect)。由于量子色动力学真空的跃迁，会使得粒子的左右手性不平衡，极强电磁场将诱导出沿着磁场方向的电流，这就是手征磁效应。它不仅仅反应出量子色动力学真空的非平庸性，也被认为是探测强相互作用宇称破缺可能的手段之一。

（4）迄今为止旋转最快的小系统

在非偏心相对论重离子碰撞中，可以产生初始105hbar量级的轨道角动量（对比普通粒子的自旋角动量是在几个hbar量级）。由于轨道-自旋耦合，末态粒子的自旋将会更趋向于沿着初始轨道角动量方向排列从而发生自旋极化。因此QGP的涡旋性质可以通过末态粒子的自旋极化来探测。

由15个国家74个科研机构组成的STAR国际实验合作测量了Λ和anti-Λ超子的整体自旋极化。通过实验结果估算出的QGP的整体旋转角速度10²²每秒。这是迄今为止发现的旋转最快的系统，这一发现也因此登上了《自然》期刊的封面，并被当年的世界100个重要发现所收录。

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研究方向：

（1）从量子场论第一性原理出发推导量子动力学理论
夸克胶子等离子体是由强相互作用主导的、含有量子输运的多体系统。量子动力学理论是描述相对论性量子多体系统最为有效的微观动力学理论，它是传统的玻尔兹曼方程的量子扩展。本团队从量子场论第一性原理出发，系统地推导了量子动力学理论，该理论包含有量子反常、手征磁效应、手征涡旋效应等重要的量子输运效应。所得的理论被广泛应用于领域内相关研究之中。目前已在该方向发表2篇Phys.Rev.Lett.及1篇Phys. Rev. D (RC)文章，其中1篇单篇引用超过250次，1篇单篇引用超过100次。并与合作者一起撰写邀请综述文章，发表在核物理领域重要的综述期刊Prog. Part.Nucl.Phys（IF=12）上。

（2）相对论重离子碰撞中的极化效应
初始巨大的轨道角动量会转化成夸克物质的自旋，从而是末态粒子发生极化。RHIC-STAR实验通过研究Lambda粒子的自旋极化，通过极化可以反推出夸克胶子等离子体平均涡旋转速高达10²²次每秒，相关实验研究已发表在Nature杂志上并被选为封面文章。本团队利用量子动力学理论系统地研究了Lambda粒子的整体与局域极化现象。所采用的研究方法是从第一性原理出发、结合数值模拟与实验结果精确对比，这也是小领域内较为罕见和系统地研究方法。已发表多篇高引用论文，2篇论文单篇引用超过50次，另受邀撰写综述文章1篇被引用超过50次。

（3）极强电磁场下的夸克物质输运性质
极强电磁场下夸克物质输运被认为是探测强相互作用宇称破缺可能的方案之一。本团队在该方向上有着长期的积累和系统的研究。首先，利用相对论磁流体力学详细地讨论了，相对论重离子碰撞产生的电磁场随时间的演化，并利用经典玻尔兹曼方程与麦克斯韦方程耦合联立数值求解，探讨了介质对电磁场演化的影响。系列研究中3篇文章单篇引用超过50次。其次，利用量子动力学理论系统地研究了强磁场下夸克物质的输运性质及电磁相应等等。多篇论文单篇引用超过50次。最后，解决了困扰小领域八年之久的疑难问题，得到了非微扰情况下实时Schwinger机制下手征流和手征荷的产生，研究发表在Phys.Rev.Lett.上，并受邀撰写综述文章。