QGP強(qiáng)子化過(guò)程中夸克組合機(jī)制普適性的研究.pdf

1、上世紀(jì)七十年代以來(lái)，人們就從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面開(kāi)始了對(duì)高溫高密等極端條件下核物質(zhì)特性的研究。從那時(shí)起，高能重離子碰撞就成為現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的前沿之一。自2000年BNL的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）運(yùn)行以來(lái)，發(fā)表了一系列引人注目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中有很多出人意料的新發(fā)現(xiàn)，如中等pT區(qū)域重子產(chǎn)額的較大增加；核修正因子RCP的重子、介子分組；強(qiáng)子橢圓流的價(jià)夸克數(shù)歸一特性；大pT雙強(qiáng)子背對(duì)背方位角關(guān)聯(lián)的消失等等，它們強(qiáng)烈地暗示RHIC反應(yīng)中部分子

2、自由度的產(chǎn)生。最有說(shuō)服力的是φ介子的RCP和橢圓流行為：φ介子和質(zhì)子有幾乎相同的質(zhì)量但不同的價(jià)夸克數(shù)，而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)φ介子的行為和其他輕介子類似，和質(zhì)子明顯不同?？傊?，RHIC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明了部分子層次的熱密物質(zhì)已經(jīng)產(chǎn)生，并且至少在中等pT區(qū)域，碎裂機(jī)制不再成立，而組合機(jī)制成為所謂夸克膠子等離子體（QGP）的主要強(qiáng)子化機(jī)制。那么，在高能核核反應(yīng)中，組合機(jī)制在小pT、大pT區(qū)域是否仍然成立呢?它是不是一個(gè)普適的強(qiáng)子化機(jī)制呢?這是本論文探討

3、的一個(gè)重要問(wèn)題。 強(qiáng)子化一直是QCD不能微擾計(jì)算而又無(wú)法回避的難題。目前除去格點(diǎn)QCD的處理方法之外，具有代表性且廣泛應(yīng)用的主要有碎裂模型和組合模型兩類。在RHIC反應(yīng)中，組合模型主要有Coalescence，Recombination和我們的Quark Combination Model（QCM）等。上世紀(jì)八十年代，謝去病等人從組合模型的基本圖像出發(fā)，系統(tǒng)地提出了夸克產(chǎn)生律和夸克組合律，在此基礎(chǔ)上，王群、司宗國(guó)等人又把它們推廣

4、到多部分子態(tài)的情況，用來(lái)處理多部分子態(tài)的強(qiáng)子化。并成功解釋了e+e-湮滅和pp（p）反應(yīng)中的一系列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。夸克產(chǎn)生律給出了質(zhì)心能量為S的qq色單態(tài)系統(tǒng)新產(chǎn)生的平均夸克對(duì)數(shù)，然后所有的夸克按照夸克組合律實(shí)現(xiàn)組合強(qiáng)子化的過(guò)程。夸克組合律是符合快度近關(guān)聯(lián)要求，也同時(shí)符合QCD基本要求的必然結(jié)果，快度近關(guān)聯(lián)的要求決定了組合過(guò)程中“介子優(yōu)先于重子產(chǎn)生”的原則。另外，組合強(qiáng)子化圖像還自然解釋了重子產(chǎn)生中的“自旋抑制”以及單態(tài)重子產(chǎn)額高的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

5、近來(lái)，邵鳳蘭等人又把QCM推廣應(yīng)用到RHIC反應(yīng)中。首先把夸克產(chǎn)生律拓展到高能核核反應(yīng)，可以得到不同RHIC能量、不同中心度時(shí)輸入的總夸克數(shù)目。而夸克組合律在原來(lái)縱方向仍滿足快度近關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，橫方向加上橫動(dòng)量方向相同且PT相等或相近的組合條件。由于QCM既滿足幺正性又不需要知道不同強(qiáng)子的組合函數(shù)，所以它可以統(tǒng)一地描述各種SU（3）或SU（4）強(qiáng)子。這是QCM區(qū)別于其他組合模型的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 利用推廣的QCM，我們首先研究了RHI

6、C反應(yīng)中強(qiáng)子的產(chǎn)額、比例及其橫動(dòng)量譜。確定了一些模型參數(shù)后，QCM給出了和實(shí)驗(yàn)符合很好的理論結(jié)果，自然地解釋了中等pT區(qū)域重子增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在高能核核反應(yīng)中，Hwa和Yang發(fā)現(xiàn)不同能量不同中心度的π0的橫動(dòng)量譜存在一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)度性行為，我們利用QCM驗(yàn)證了這種標(biāo)度性行為。我們的研究還說(shuō)明了，在解釋RHIC反應(yīng)的強(qiáng)子pT譜和多重?cái)?shù)比例方面，和中等pT區(qū)域一樣，組合機(jī)制在大、小pT范圍都是普適的。 其次，利用QCM，我們研究了R

7、HIC反應(yīng)中強(qiáng)子的橢圓流及其質(zhì)量結(jié)構(gòu)。橢圓流v2是相對(duì)論重離子碰撞反應(yīng)的重要觀測(cè)量之一，它攜帶了QGP的產(chǎn)生、演化，以及強(qiáng)子化過(guò)程的許多信息。RHIC實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)之一就是發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)子v2的價(jià)夸克數(shù)標(biāo)度性（QNS）。這是QGP組合強(qiáng)子化機(jī)制的主要實(shí)驗(yàn)證據(jù)之一。然而，后來(lái)更多的高精度測(cè)量顯示，QNS在小pT區(qū)域并不嚴(yán)格成立，而是存在一個(gè)所謂的質(zhì)量結(jié)構(gòu)。那么，這是否意味著組合機(jī)制在小pT區(qū)域不適用呢?通過(guò)對(duì)諸如共振態(tài)衰變，夸克橢圓流的味道依賴性，

8、夸克的不等pT組合等因素的系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)，組合機(jī)制恰好可以解釋橢圓流的質(zhì)量結(jié)構(gòu)。其中衰變的貢獻(xiàn)導(dǎo)致強(qiáng)子v2在小pT區(qū)域產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)，但還不足以完全解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)夸克的質(zhì)量效應(yīng)導(dǎo)致直生強(qiáng)子的v2按照它們的味道成分發(fā)生劈裂，并引起末態(tài)強(qiáng)子v2的更大劈裂，使得除了π±以外其他強(qiáng)子的v2都較好的符合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不等pT組合也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)子v2對(duì)QNS的偏離，這種可正可負(fù)的偏離依賴于夸克橢圓流的形式。我們還發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)因素都破壞QNS，前

9、兩個(gè)因素主要表現(xiàn)在小pT區(qū)域，而不等PT組合的影響更明顯地表現(xiàn)在中等pT區(qū)域。在同時(shí)考慮這三個(gè)因素的影響以后，QCM定量地解釋了小pT區(qū)域的包括π介子在內(nèi)的強(qiáng)子橢圓流的質(zhì)量結(jié)構(gòu)。并給出了可用來(lái)檢驗(yàn)不等pT組合貢獻(xiàn)大小的預(yù)言。由此可見(jiàn)，質(zhì)量結(jié)構(gòu)和組合機(jī)制并不矛盾，而且小pT區(qū)域和中等pT區(qū)域一樣，組合機(jī)制都是適用的。 利用QCM，我們還研究了RHIC反應(yīng)中不同能量不同中心度的帶電粒子的（贗）快度密度分布。使用朗道相對(duì)論流體力學(xué)來(lái)描

10、述部分子物質(zhì)的演化，我們得到了強(qiáng)子化前結(jié)構(gòu)夸克的高斯型快度分布。并由此得到了130，200 GeV能量下各中心度的dNch/dη對(duì)η的依賴關(guān)系，計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)符合得很好。我們又進(jìn)一步研究了帶電粒子的（贗）快度分布對(duì)能量的依賴。發(fā)現(xiàn)η分布的形狀主要決定于能量和聲速，而夸克的快度分布范圍僅對(duì)強(qiáng)子的前后快度區(qū)有影響。我們還發(fā)現(xiàn)，除去19.6 GeV以外，62.4、130和200 GeV能量下部分子物質(zhì)的聲速是相同的。這說(shuō)明至少碰撞能量從62.

11、4到200 GeV，QGP具有某種統(tǒng)一的屬性，而19.6 GeV能量時(shí)產(chǎn)生的熱密物質(zhì)卻不具有這種屬性。 最后，我們把QCM進(jìn)一步擴(kuò)展到破缺的SU（4）味道對(duì)稱性，并利用它定量研究了高能重離子碰撞中粲強(qiáng)子的產(chǎn)生。在高能重離子反應(yīng)中，粲強(qiáng)子產(chǎn)生一直是理論和實(shí)驗(yàn)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。PHENIX和STAR合作組已經(jīng)發(fā)表了許多有關(guān)的數(shù)據(jù)，他們都觀察到粲夸克產(chǎn)生截面σcc的碰撞次數(shù)標(biāo)度性規(guī)律。但是，給出的平均每次核子碰撞的粲夸克產(chǎn)生截面σNNc

12、c卻有很大的差別。在數(shù)據(jù)的分析過(guò)程中，他們用到兩個(gè)重要的比例來(lái)得出σNNcc，一個(gè)是PHENIX用到的cc到非光生電子的總衰變分支比Re/cc，另一個(gè)是STAR用到的cc到正反D0介子的總衰變分支比RD0/cc。這兩個(gè)比例和cc到非光生‘muon'的總衰變分支比Rμ/cc都與不同粲強(qiáng)子之間的比例即‘粲強(qiáng)子比例'有關(guān)。 高能核核反應(yīng)中粲夸克產(chǎn)生截而是c物理研究的重要問(wèn)題之一。精確的σNNcc測(cè)量依賴于Re/cc（Rμ/cc）和RD

13、0/cc的精確值，所以確定核核反應(yīng)中粲強(qiáng)子比例以及上述三個(gè)總衰變分支比也是c物理研究的一個(gè)重要問(wèn)題。核核反應(yīng)中重子增強(qiáng)和奇異增強(qiáng)必然導(dǎo)致粲強(qiáng)子比例以及三個(gè)總衰變分支比與e+e-湮滅或pp（p）反應(yīng)的不同。然而，目前實(shí)驗(yàn)上直接測(cè)量這些比例是很困難的，而且也不能通過(guò)模型無(wú)關(guān)的理論計(jì)算得到。RHIC實(shí)驗(yàn)中用到的這兩個(gè)關(guān)鍵比例現(xiàn)在分別取值于e+e-湮滅和pp（p）反應(yīng)。那么，人們不僅要問(wèn)：Au+Au反應(yīng)中實(shí)際的Re/cc，RD0/cc比例對(duì)測(cè)量

14、的σcc修正有多大?這些修正對(duì)兩個(gè)合作組測(cè)量的截面的差別有什么影響? 我們利用QCM得到了200 GeV能量下粲強(qiáng)子的重子/介子比∧c+∧c/D0+D0，∧c+∧c/D++D-和∧c+∧c/D+s+D-s對(duì)陽(yáng)的依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中等pT區(qū)域的重子產(chǎn)額明顯增強(qiáng)，這一特點(diǎn)和p/π比非常相似。和同樣Au+Au碰撞的p/π+比的數(shù)據(jù)比較，粲強(qiáng)子的重子/介子比的峰變寬了，而且向大pT方向發(fā)生了移動(dòng)。這主要是因?yàn)閏c的pT譜遠(yuǎn)硬于u，d夸克的p

15、T譜。文中也討論了粲強(qiáng)子的核修正因子RAA按照奇異成分排序的問(wèn)題，指出這個(gè)效應(yīng)是證明粲強(qiáng)子組合強(qiáng)子化的一個(gè)強(qiáng)有力信號(hào)。我們還計(jì)算了200 GeV能量下中心快度區(qū)‘單c強(qiáng)子'（single-charm hadrons）的多重?cái)?shù)和它們的比例。因?yàn)橛恤又刈釉鰪?qiáng)和奇異成分增強(qiáng)兩種效應(yīng)，核核反應(yīng)中的粲強(qiáng)子比例及總分支比Ee/cc和Rμ/cc明顯地與e+e-湮滅和pp（p）反應(yīng)不同。采用PDG最新的衰變分支比的數(shù)據(jù)，核核反應(yīng)中的這些比例使得PHEN

16、IX測(cè)量的σNNcc的中心值會(huì)增加～17％。然而，這一修正并不足以抵消STAR和PHENIX測(cè)量的σNNcc的差別?？紤]到某些參數(shù)的不確定性，我們系統(tǒng)研究了這些比例對(duì)各種參數(shù)的依賴性。并進(jìn)一步研究了同樣能量的Au+Au碰撞中，它們的中心度依賴性，發(fā)現(xiàn)在σcc的碰撞次數(shù)標(biāo)度性規(guī)律成立且有關(guān)參數(shù)與中心度無(wú)關(guān)的條件下，單c強(qiáng)子的比例和三個(gè)關(guān)鍵比例既不依賴于中心度也不依賴于σcc。假定組合強(qiáng)子化機(jī)制在相對(duì)論核核反應(yīng)中是普適的，我們又研究了這些比

17、例對(duì)能量的依賴性，發(fā)現(xiàn)它們主要依賴于奇異抑制因子和凈重子數(shù)而不依賴于σcc，并給出了RHIC能量62.4，130，200 GeV和5.5TeV LHC能量下粲強(qiáng)子比例的預(yù)言。這是第一次在組合模型框架下，全面地給出RHIC和LHC能量的粲強(qiáng)子比例和三個(gè)總衰變分支比的預(yù)言。這些預(yù)言對(duì)精確測(cè)定σNNcc是重要的，而且粲強(qiáng)子的組合強(qiáng)子化機(jī)制也可以在RHIC和IMC上得到檢驗(yàn)。 總之，利用QCM，我們研究了RHIC反應(yīng)的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理論