QGP強子化過程中夸克組合機制普適性的研究.pdf

1、上世紀七十年代以來，人們就從理論和實驗兩個方面開始了對高溫高密等極端條件下核物質(zhì)特性的研究。從那時起，高能重離子碰撞就成為現(xiàn)代物理學發(fā)展的前沿之一。自2000年BNL的相對論重離子對撞機（RHIC）運行以來，發(fā)表了一系列引人注目的實驗結(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；強子橢圓流的價夸克數(shù)歸一特性；大pT雙強子背對背方位角關(guān)聯(lián)的消失等等，它們強烈地暗示RHIC反應(yīng)中部分子

2、自由度的產(chǎn)生。最有說服力的是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)量但不同的價夸克數(shù)，而實驗發(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琑HIC的實驗結(jié)果充分說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，碎裂機制不再成立，而組合機制成為所謂夸克膠子等離子體（QGP）的主要強子化機制。那么，在高能核核反應(yīng)中，組合機制在小pT、大pT區(qū)域是否仍然成立呢?它是不是一個普適的強子化機制呢?這是本論文探討

3、的一個重要問題。 強子化一直是QCD不能微擾計算而又無法回避的難題。目前除去格點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、司宗國等人又把它們推廣

4、到多部分子態(tài)的情況，用來處理多部分子態(tài)的強子化。并成功解釋了e+e-湮滅和pp（p）反應(yīng)中的一系列實驗現(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)生的平均夸克對數(shù)，然后所有的夸克按照夸克組合律實現(xiàn)組合強子化的過程。夸克組合律是符合快度近關(guān)聯(lián)要求，也同時符合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程中“介子優(yōu)先于重子產(chǎn)生”的原則。另外，組合強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)額高的實驗現(xiàn)象。

5、近來，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、不同中心度時輸入的總夸克數(shù)目。而夸克組合律在原來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）強子。這是QCM區(qū)別于其他組合模型的獨特優(yōu)點。 利用推廣的QCM，我們首先研究了RHI

6、C反應(yīng)中強子的產(chǎn)額、比例及其橫動量譜。確定了一些模型參數(shù)后，QCM給出了和實驗符合很好的理論結(jié)果，自然地解釋了中等pT區(qū)域重子增強的實驗現(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的橫動量譜存在一個統(tǒng)一的標度性行為，我們利用QCM驗證了這種標度性行為。我們的研究還說明了，在解釋RHIC反應(yīng)的強子pT譜和多重數(shù)比例方面，和中等pT區(qū)域一樣，組合機制在大、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)中強子的橢圓流及其質(zhì)量結(jié)構(gòu)。橢圓流v2是相對論重離子碰撞反應(yīng)的重要觀測量之一，它攜帶了QGP的產(chǎn)生、演化，以及強子化過程的許多信息。RHIC實驗的亮點之一就是發(fā)現(xiàn)了強子v2的價夸克數(shù)標度性（QNS）。這是QGP組合強子化機制的主要實驗證據(jù)之一。然而，后來更多的高精度測量顯示，QNS在小pT區(qū)域并不嚴格成立，而是存在一個所謂的質(zhì)量結(jié)構(gòu)。那么，這是否意味著組合機制在小pT區(qū)域不適用呢?通過對諸如共振態(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)。其中衰變的貢獻導(dǎo)致強子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驗數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)夸克的質(zhì)量效應(yīng)導(dǎo)致直生強子的v2按照它們的味道成分發(fā)生劈裂，并引起末態(tài)強子v2的更大劈裂，使得除了π±以外其他強子的v2都較好的符合了實驗數(shù)據(jù)。不等pT組合也會導(dǎo)致強子v2對QNS的偏離，這種可正可負的偏離依賴于夸克橢圓流的形式。我們還發(fā)現(xiàn)，這三個因素都破壞QNS，前

9、兩個因素主要表現(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。在同時考慮這三個因素的影響以后，QCM定量地解釋了小pT區(qū)域的包括π介子在內(nèi)的強子橢圓流的質(zhì)量結(jié)構(gòu)。并給出了可用來檢驗不等pT組合貢獻大小的預(yù)言。由此可見，質(zhì)量結(jié)構(gòu)和組合機制并不矛盾，而且小pT區(qū)域和中等pT區(qū)域一樣，組合機制都是適用的。 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。使用朗道相對論流體力學來描

10、述部分子物質(zhì)的演化，我們得到了強子化前結(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η的依賴關(guān)系，計算結(jié)果和數(shù)據(jù)符合得很好。我們又進一步研究了帶電粒子的（贗）快度分布對能量的依賴。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強子的前后快度區(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能量時產(chǎn)生的熱密物質(zhì)卻不具有這種屬性。 最后，我們把QCM進一步擴展到破缺的SU（4）味道對稱性，并利用它定量研究了高能重離子碰撞中粲強子的產(chǎn)生。在高能重離子反應(yīng)中，粲強子產(chǎn)生一直是理論和實驗關(guān)注的焦點之一。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)的分析過程中，他們用到兩個重要的比例來得出σNNcc，一個是PHENIX用到的cc到非光生電子的總衰變分支比Re/cc，另一個是STAR用到的cc到正反D0介子的總衰變分支比RD0/cc。這兩個比例和cc到非光生‘muon'的總衰變分支比Rμ/cc都與不同粲強子之間的比例即‘粲強子比例'有關(guān)。 高能核核反應(yīng)中粲夸克產(chǎn)生截而是c物理研究的重要問題之一。精確的σNNcc測量依賴于Re/cc（Rμ/cc）和RD

13、0/cc的精確值，所以確定核核反應(yīng)中粲強子比例以及上述三個總衰變分支比也是c物理研究的一個重要問題。核核反應(yīng)中重子增強和奇異增強必然導(dǎo)致粲強子比例以及三個總衰變分支比與e+e-湮滅或pp（p）反應(yīng)的不同。然而，目前實驗上直接測量這些比例是很困難的，而且也不能通過模型無關(guān)的理論計算得到。RHIC實驗中用到的這兩個關(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：Au+Au反應(yīng)中實際的Re/cc，RD0/cc比例對測量

14、的σcc修正有多大?這些修正對兩個合作組測量的截面的差別有什么影響? 我們利用QCM得到了200 GeV能量下粲強子的重子/介子比∧c+∧c/D0+D0，∧c+∧c/D++D-和∧c+∧c/D+s+D-s對陽的依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中等pT區(qū)域的重子產(chǎn)額明顯增強，這一特點和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。這主要是因為cc的pT譜遠硬于u，d夸克的p

15、T譜。文中也討論了粲強子的核修正因子RAA按照奇異成分排序的問題，指出這個效應(yīng)是證明粲強子組合強子化的一個強有力信號。我們還計算了200 GeV能量下中心快度區(qū)‘單c強子'（single-charm hadrons）的多重數(shù)和它們的比例。因為有粲重子增強和奇異成分增強兩種效應(yīng)，核核反應(yīng)中的粲強子比例及總分支比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測量的σNNcc的中心值會增加～17％。然而，這一修正并不足以抵消STAR和PHENIX測量的σNNcc的差別?？紤]到某些參數(shù)的不確定性，我們系統(tǒng)研究了這些比例對各種參數(shù)的依賴性。并進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)標度性規(guī)律成立且有關(guān)參數(shù)與中心度無關(guān)的條件下，單c強子的比例和三個關(guān)鍵比例既不依賴于中心度也不依賴于σcc。假定組合強子化機制在相對論核核反應(yīng)中是普適的，我們又研究了這些比

17、例對能量的依賴性，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能量的粲強子比例和三個總衰變分支比的預(yù)言。這些預(yù)言對精確測定σNNcc是重要的，而且粲強子的組合強子化機制也可以在RHIC和IMC上得到檢驗。 總之，利用QCM，我們研究了RHIC反應(yīng)的一些實驗現(xiàn)象，理論