200GeV金金碰撞中質(zhì)子與反質(zhì)子直接流研究.pdf

1、隨著對(duì)微觀世界研究的深入，人們逐步認(rèn)識(shí)到原子由原子核(和它周?chē)碾娮?組成，原子核又由核子組成，核子通過(guò)強(qiáng)相互作用結(jié)合在一起。組成核子(強(qiáng)子)的有夸克和膠子。描述強(qiáng)相互作用的理論一量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)指出所有參與強(qiáng)相互作用的基本粒子都是由夸克q及反夸克(q)的束縛態(tài)。目前為止，沒(méi)有觀察到非束縛態(tài)的夸克，QCD預(yù)言在極高的溫度或者高重子數(shù)密度下，強(qiáng)子物質(zhì)會(huì)解禁閉形成夸克膠子等離子體(Quark Gluon Plasma-QGP)。在通常

2、條件F，我們所觀察到的QCD物質(zhì)都是以核子或強(qiáng)子氣體形式存在的。格點(diǎn)QCD(Lattice QCD)的計(jì)算表明，在溫度或能量密度足夠高的情況下，會(huì)形成一種被色自由度主導(dǎo)的新的物質(zhì)形態(tài)一夸克膠子等離子體(QGP)。在夸克膠子等離子體中，禁閉在普通強(qiáng)子物質(zhì)中的夸克和膠子被從強(qiáng)子中解放出來(lái)，能夠在比較大的距離上移動(dòng)，這被稱(chēng)為解禁閉(decomfinement)。在宇宙大爆炸后的微秒量級(jí)，整個(gè)宇宙的物質(zhì)以一種超熾熱、極致密的夸克膠子等離子體(Q

3、GP)的狀態(tài)存在，其溫度大約是1012 K。隨著宇宙的膨脹，溫度急劇下降，夸克和膠子的速度大為減慢，以至于其中的一部分開(kāi)始能夠短暫地粘連在一起。在將近10微秒的時(shí)間之后，夸克和膠子被強(qiáng)作用力永久地禁閉在質(zhì)子、中子和其他強(qiáng)子之中。宇宙的這場(chǎng)相變引起了科學(xué)家的深厚興趣，人們想尋求線索來(lái)理解宇宙演化出目前高度有序狀態(tài)的過(guò)程，并希望更好地了解夸克和膠子之問(wèn)的基本強(qiáng)作用力。 實(shí)驗(yàn)上，為了尋找QGP，需要有大量的能量被堆積在很小的空間體積

4、內(nèi)，而達(dá)到很高的能量密度。相對(duì)于單純提高粒子的對(duì)撞能量，加速重離子(高質(zhì)量數(shù)重子數(shù))進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是一種更有效的方式。位于美國(guó)紐約長(zhǎng)島布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory—BNL)的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(Relativistic Heavv Ion Collider—RHIC)是目前世界上正在運(yùn)行的最高能量的重離子加速器。它可以把金原子核加速到每核子100 GeV釣?zāi)芰坎?shí)現(xiàn)對(duì)撞，從而產(chǎn)生

5、出極其熾熱的致密的物質(zhì)與能量爆發(fā)，以此實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室里模擬宇宙大爆炸(big bang)后最初幾微秒內(nèi)發(fā)生的情況。RHIC的物理目標(biāo)是尋找極端高溫致密條件下的新物質(zhì)狀態(tài)-夸克膠子等離子體。RHIC為研究人員提供了一個(gè)絕好的機(jī)會(huì)來(lái)觀察從質(zhì)子和原子中釋放出來(lái)夸克和膠子，它的目標(biāo)就是通過(guò)把重原子核對(duì)撞來(lái)在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造出短暫釋放夸克和膠子的微型大爆炸(mini—bang)。進(jìn)而來(lái)尋找極端高溫致密條件下的新物質(zhì)狀態(tài)一夸克膠子等離子體(QGP)。RH

6、IC起到了一種時(shí)間望遠(yuǎn)鏡的作用，使我們得以窺探宇宙的極早期的物質(zhì)狀態(tài).RHIC環(huán)由兩個(gè)超導(dǎo)儲(chǔ)存環(huán)構(gòu)成，分別被稱(chēng)為藍(lán)環(huán)和黃環(huán)。每個(gè)環(huán)都有各自獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)磁鐵和聚焦磁鐵以及射頻腔。兩環(huán)處在同一個(gè)水平面上，共有有六個(gè)交叉點(diǎn)，其中四個(gè)裝有探測(cè)器，分別被稱(chēng)為BRAHMS(2 o’)、STAR(6o’)、PHENIx(8 o’)和PH()BOS(10 o’)。STAR(17he Solenoidal Tracker At RHIC)實(shí)驗(yàn)裝置是其中較大

7、的一個(gè)，它被稱(chēng)為世界上最大的“數(shù)碼相機(jī)”，可以為由對(duì)撞產(chǎn)生的數(shù)以千計(jì)的所有帶電粒子提供三維圖像，這些粒子都處在中央快度區(qū)一個(gè)很大的范圍內(nèi)。STAR探測(cè)器的核心是一個(gè)時(shí)間投影室(17ime Projections Chamber-TPC)。它由一個(gè)長(zhǎng)4.2m直徑4.0m的圓筒構(gòu)成，是目前世界上最大的單體TPC。TPC通過(guò)測(cè)量帶電粒子在其中不同位置的三維空間坐標(biāo)可以重建粒子飛行的徑跡；同時(shí)它還可以通過(guò)測(cè)量帶電粒子穿過(guò)TPC氣體時(shí)的電離能損d

8、E/dx 來(lái)鑒別粒子。 相對(duì)論重離子碰撞過(guò)程可以簡(jiǎn)單地概括為兩個(gè)高度洛侖茲收縮的核以接近光速對(duì)撞。在RHIC能區(qū)，兩個(gè)核將相互穿透，在中心快度區(qū)形成一個(gè)高能量，低重子數(shù)的碰撞區(qū)。初始碰撞主要是部分子之間大橫動(dòng)量的硬碰撞。隨著部分子之間相互作用的頻繁發(fā)生，夸克有可能解禁閉并且達(dá)到熱平衡，形成新物質(zhì)夸克一膠子等離子體QGP。隨著系統(tǒng)的膨脹，系統(tǒng)開(kāi)始冷卻，部分子開(kāi)始凍結(jié)為強(qiáng)子。形成的各類(lèi)強(qiáng)子從系統(tǒng)中逃逸出來(lái)，這個(gè)過(guò)程可分為兩個(gè)階段：首

9、先是該類(lèi)強(qiáng)子的粒子數(shù)目不變，即再?zèng)]有非彈性散射反應(yīng)生成或湮滅該類(lèi)強(qiáng)子，這時(shí)稱(chēng)為Chemical freeze-out；最后是該類(lèi)所有強(qiáng)子的動(dòng)量不再變化，即再?zèng)]有彈性散射反應(yīng)發(fā)生，這時(shí)稱(chēng)為T(mén)hermal or kinetic freeze—out。此后所有的穩(wěn)定強(qiáng)子在探測(cè)器中被我們所探測(cè)到。 實(shí)驗(yàn)上，我們通過(guò)測(cè)得末態(tài)強(qiáng)子信息來(lái)尋找夸克膠子等離子體存在的信號(hào)。核一核碰撞中會(huì)有大量的核子相互作用，并產(chǎn)生一些“集體行為”。這里“集體行

10、為”是指在一次碰撞中所觀察到的多個(gè)粒子的共同性質(zhì)。我們通常稱(chēng)這種由碰撞產(chǎn)生的大量粒子具有相似的運(yùn)動(dòng)方向和速度的現(xiàn)象稱(chēng)為“集體流”。將集體流用動(dòng)力學(xué)變量來(lái)表示，我們將得到各種類(lèi)型的流。 “縱向流”：描述粒子在初始束流方向上的集體運(yùn)動(dòng)； “徑向流”：描述產(chǎn)生的粒子具有相似的與方位無(wú)關(guān)的速度，即速度場(chǎng)具有球?qū)ΨQ(chēng)性； “橫向流”：描述速度場(chǎng)與方位角無(wú)關(guān)； “各向異性流”：描述粒子產(chǎn)生在某一方位角的方向上會(huì)大于其它

11、方向。 以上各種流是整個(gè)集體流圖象在不同方面的表現(xiàn)。 在非對(duì)心碰撞中(碰撞參數(shù)b不等于零)，“反應(yīng)平面”被定義為碰撞參數(shù)和束流方向所決定的平面。這類(lèi)非對(duì)心碰撞中，初始坐標(biāo)空間的方位角不對(duì)稱(chēng)性將導(dǎo)致末態(tài)粒子相對(duì)于“反應(yīng)平面”的角依賴(lài)性。我們定義各向異性流為粒子相對(duì)于反應(yīng)平面分布的不對(duì)稱(chēng)性并通常用方位角分布的傅立葉變換來(lái)描述這一不對(duì)稱(chēng)性。直接流(u1)是發(fā)射粒子相對(duì)于反應(yīng)平面分布的傅立葉變換的第一諧波系數(shù)。它描述了由碰撞產(chǎn)生

12、的粒子和核碎片，它載有碰撞最早期階段的信息。直接流的大小和形狀，特別是可鑒別粒子的直接流的大小和形狀，對(duì)于平衡態(tài)方程(EOS)很敏感。所以對(duì)直接流進(jìn)行測(cè)量具有重要的意義。最近的理論研究表明在接近中心碰撞中，由于夸克膠子等離子體的強(qiáng)碰撞和坐標(biāo)空間一動(dòng)量空間的正關(guān)聯(lián)，作為快度的函數(shù)的直接流在中心快度區(qū)域穿過(guò)零處三次，并且在流體力學(xué)演化過(guò)程中呈現(xiàn)一個(gè)擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)(wiggle)。由于同樣的原因，在接近中心碰撞中質(zhì)子的直接流將和介子相近，而不是旁

13、觀粒子，這將導(dǎo)致質(zhì)子直接流的形狀的改變。特別是，在中心快度區(qū)的質(zhì)子，反質(zhì)子和帶電K介子的直接流提供了一種新的可以研究夸克膠子等離子體中一級(jí)相變的方式。因此，對(duì)可鑒別粒子的直接流的測(cè)量是非常重要而且有意義的工作。 在STAR實(shí)驗(yàn)?zāi)軈^(qū)測(cè)量直接流是一件很具有挑戰(zhàn)性的工作。因?yàn)樵赗HIC能區(qū)直接流的信號(hào)很小，而相對(duì)于直接流信號(hào)而言，由non—flow的效應(yīng)(與反應(yīng)平面方位角無(wú)關(guān)的角關(guān)聯(lián))引起的系統(tǒng)誤差很大。這種角關(guān)聯(lián)對(duì)直接流的影響非常明

14、顯，尤其是用同一個(gè)探測(cè)器的信號(hào)，既確定反應(yīng)平面方位角又測(cè)量直接流信號(hào)的情況。例如一個(gè)粒子衰變成兩個(gè)粒子，當(dāng)這兩個(gè)粒子之間的角度很小，而且將兩個(gè)粒子分別作為測(cè)量反應(yīng)平面方位角和直接流信號(hào)的信息時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的非流關(guān)聯(lián)。所以應(yīng)用不同快度區(qū)域的粒子分別進(jìn)行反應(yīng)平面方位角的測(cè)量和直接流信號(hào)信號(hào)的測(cè)量很重要。在本篇論文中，首次提出用STAR的探測(cè)器中的Forward Time Proiection Chamber(FTPC)和Shower Max

15、 detector of the Zero Degree Calorimeters(ZDO-SMDs)的信息共同重建反應(yīng)平面，得到“聯(lián)合反應(yīng)平面”方位角，再用Time Projection Chamber的信息作為直接流信號(hào)，這樣利用FTPC，ZDC—SMDs和TPC之間的較大的快度間隔，有效地減少了由于non-flow效應(yīng)的影響。同時(shí)增大了反應(yīng)平面分辨率，使反應(yīng)平面的測(cè)量更加準(zhǔn)確。在金金碰撞中，我們發(fā)現(xiàn)62GeV能區(qū)的聯(lián)合反應(yīng)平面的分

16、辨率的比單獨(dú)應(yīng)用FTPC，ZDC-SMDs測(cè)量的分辨率好很多。但是對(duì)于200GeV能區(qū)的聯(lián)合反應(yīng)平面的分辨率卻沒(méi)有很大的改進(jìn)，和單獨(dú)使用ZDC—SMDs測(cè)量的結(jié)果很接近，這是因?yàn)槟芰吭礁?，直接流將移?dòng)到贗快度更大的區(qū)域，F(xiàn)TPC對(duì)于聯(lián)合反應(yīng)的貢獻(xiàn)也就不大了。因此在本論文中，在62GeV的金金碰撞中使用聯(lián)合反應(yīng)平面來(lái)對(duì)直接流進(jìn)行測(cè)量，而在200GeV的金金碰撞中只使用ZDC—SMDs測(cè)量的反應(yīng)平面。又目前的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子u1是