高能核—核碰撞中新物質(zhì)形態(tài)及其強(qiáng)子化物理研究.pdf

1、量子色動(dòng)力學(xué)預(yù)言在極高能量密度下，會產(chǎn)生一種由夸克，反夸克和膠子組成的新物質(zhì)形態(tài)，這是夸克膠子等離子體(QGP)。而相對論重離子碰撞就是深入研究這種新物質(zhì)形態(tài)的重要實(shí)驗(yàn)手段，人們希望通過這種方法，實(shí)現(xiàn)從強(qiáng)子物質(zhì)到夸克物質(zhì)的相變。研究高能碰撞的末態(tài)觀測量，比如：末態(tài)粒子的分布譜、粒子關(guān)聯(lián)、起伏……，是了解高能重離子碰撞演化過程及粒子產(chǎn)生機(jī)制的重要途徑。本文利用在布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)上四個(gè)實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)，深入探

2、討了末態(tài)粒子的產(chǎn)生機(jī)制及其分布的特征。
　　 本文首先簡單回顧了相對論重離子碰撞的實(shí)驗(yàn)和理論的現(xiàn)狀。然后介紹計(jì)算中所需的基本物理概念和唯象模型，包括描述核-核碰撞中，核幾何形狀的Glauber模型；重組合模型(Recombination/Coalescence(ReCo)Model)，特別是Oregon小組(Hwa/Yang)模型的基本思想；以及Peter Levai小組的ALgebraic COalescence Rehadr

3、onization模型(ALCOR)。
　　 首先利用統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法探討了高能重離子碰撞中產(chǎn)生的QGP的熱力學(xué)性質(zhì)。在高溫下，由于漸近自由，部分子之間的相互作用很弱，所以可以把夸克和膠子當(dāng)作自由氣體來處理。但是，在臨界溫度(Tc)附近，由于偶合常數(shù)比較大，所以很難再利用解析的方法。如果從第一原理出發(fā)，利用格點(diǎn)QCD計(jì)算，又需要大量時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源。因此，在本文第二章中，將會用一個(gè)自洽的準(zhǔn)粒子唯象模型研究QGP的熱化性質(zhì)。假設(shè)部分子

4、間的相互作用可以全部包含在其質(zhì)量之中，這樣就可以把系統(tǒng)當(dāng)作理想氣態(tài)來處理，然后再利用統(tǒng)計(jì)力學(xué)，計(jì)算各種熱力學(xué)量。在T＞Tc區(qū)域，可以很好的擬合格點(diǎn)QCD數(shù)據(jù)。
　　 基于ALCOR模型討論奇異粒子在不同波函數(shù)組合下的產(chǎn)生率。結(jié)果表明強(qiáng)子產(chǎn)生率依賴于膠子質(zhì)量，但對溫度并不敏感；而產(chǎn)生率之比幾乎與膠子質(zhì)量無關(guān)。再選擇能量為√s=200AGeV，Au+Au中心碰撞中的粒子比φ/K*=0.60±0.15作為出發(fā)點(diǎn)，計(jì)算在不同波函數(shù)組合的

5、強(qiáng)子比，結(jié)果表明粒子之比對波函數(shù)的選擇不敏感。另外，本文還利用最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)p/π和(p)/p，在夸克重組合模型(Recombination Model)的框架下，重新探討了高能重離子碰撞中，在向前快度區(qū)域(η=3.2)末態(tài)強(qiáng)子的產(chǎn)生。重新考慮了系統(tǒng)中部分子動(dòng)量衰減和夸克再生效應(yīng)后，得到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符的帶電強(qiáng)子譜和較大的質(zhì)子與π介子之比，而且還預(yù)言了反質(zhì)子與質(zhì)子之比。
　　 在深入研究核-核碰撞的重疊區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，統(tǒng)一描述

6、了在低橫動(dòng)量區(qū)域(pT＜2GeV/c)，π0介子所有與軸向方位角有關(guān)的觀測量：核修正因子RAA(φ，Np)，橢圓流v2(Np)和ridge產(chǎn)量YR(φs，Np)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好。兩個(gè)基本的出發(fā)點(diǎn)是：系統(tǒng)表面的半硬散射導(dǎo)致軸向異性和ridge粒子的產(chǎn)生與觸發(fā)粒子的選擇無關(guān)。雖然RAA是單粒子分布的量度，而YR是觸發(fā)粒子和其伴隨粒子關(guān)聯(lián)的量度，但兩者之間存在著緊密的聯(lián)系。在整個(gè)物理圖像中，最關(guān)鍵一點(diǎn)就是把單粒子分布dNπAA/pTd

7、pTdφ分為兩部分：不依賴于方位角φ的bulk組分(B(pT，Np))和依賴于φ的ridge組分(R(pT，φ,Np))。
　　 最后，本文利用RHIC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入研究不同的中心度，(贗)快度和碰撞系統(tǒng)下，π介子，質(zhì)子和反質(zhì)子橫動(dòng)量譜的標(biāo)度行為。結(jié)果表明：π介子的標(biāo)度行為不依賴與中心度、(贗)快度、碰撞系統(tǒng)和質(zhì)心能量而存在。而對于質(zhì)子和反質(zhì)子，在√sNN=200 GeV下，Au+Au碰撞中也存在不依賴于中心度和快度的標(biāo)度行為。

8、但三者的標(biāo)度行為存在著差別，這與粒子的夸克組成有著緊密的聯(lián)系。在這些過程中，表征這些粒子標(biāo)度行為的參數(shù)只有一個(gè)：粒子的平均橫動(dòng)量〈pT〉，其依賴于中心度、快度、碰撞能量及其碰撞系統(tǒng)。一旦知道了〈pT〉，那么低pT區(qū)的軟過程部分和高pT區(qū)的硬過程部分就可以由粒子標(biāo)度函數(shù)決定了。然后再利用π介子和質(zhì)子標(biāo)度行為，研究p+p碰撞中帶電強(qiáng)子在不同多重?cái)?shù)下橫動(dòng)量分布的標(biāo)度行為。發(fā)現(xiàn)不同多重?cái)?shù)下的分布譜仍具有標(biāo)度行為，并可以用π介子和質(zhì)子標(biāo)度函數(shù)的線

9、性疊加來表示。與動(dòng)量不同，動(dòng)能是一個(gè)標(biāo)量，并直接與熱密物質(zhì)的溫度相關(guān)。由于質(zhì)量效應(yīng)，對于不同的粒子，相同的動(dòng)量對應(yīng)著不同的動(dòng)能。這樣，在超相對論重離子碰撞中，動(dòng)能的分布更能有效地揭示系統(tǒng)的熱化性質(zhì)。因此，第七章還進(jìn)一步研究質(zhì)子和π介子橫能分布的標(biāo)度行為，并與其橫動(dòng)量的標(biāo)度行為進(jìn)行了比較，結(jié)果表明在低和高動(dòng)量(橫能)區(qū)域，橫能的標(biāo)度性更好。標(biāo)度律可以作為探尋粒子產(chǎn)生的機(jī)制的一個(gè)重要信息。通過分析，發(fā)現(xiàn)弦碎裂和團(tuán)碎裂機(jī)制可以分別描述π介子和