ALICE实验中5.02TeV碰撞能量下双喷注横动量不对称性的研究

摘要

夸克和胶子被认为是基本粒子，它们之间的相互作用可以用量子色动力学(QCD)进行描述，即:在普通的核物质相中这些夸克和胶子被禁闭在核子内，从核物质内提取出自由的夸克是不可能的。格点量子色动力学(LQCD)预言，在极端高温、高密条件下，夸克和胶子从核物质中退禁闭出来变成自由的夸克和胶子，形成夸克胶子等离子体(Quark-Gluon-Plasma，QGP)。这种QGP物质相被认为存在于宇宙大爆炸后的瞬间，之后宇宙迅速的膨胀冷却形成稳定的核物质相即当今宇宙。研究QGP的形成过程以及它的性质，能够帮助我们了解宇宙的演化。因此，对QGP产生及其性质的研究，已成为高能核物理领域研究的重要课题之一。
　　在实验室条件下，人们利用建造的相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy IonCollider，RHIC)和大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)等大型实验装置加速束流进行碰撞，从而研究QGP的产生及其性质。LHC位于欧洲核研究中心(CERN)，是目前世界上最大的粒子加速器，而大型重离子对撞机(A Large IonCollider Experiment，ALICE)是LHC上运行的主要实验之一，它的主要目的是通过重离子碰撞研究QGP的产生过程及其性质。实验室中，QGP存在时间极短，人们一般无法直接观测，只能通过末态产物的信息检验和判断QGP是否产生，从而研究它的性质。
　　在碰撞过程中，碰撞束流经过超导电磁场加速到接近相对论光速发生碰撞，束流内部核子因碰撞而互相传递、转移横动量，当核子内部转移的横动量很大时的过程称之为硬散射(Hard Scattering)。硬散射过程会产生背对背的高横动量部分子（夸克和胶子），这些高横动量的部分子经过辐射，最终强子化为末态稳定存在的强子。来自同一硬散射过程的部分子碎裂出来的强子束流会准直在一个有限的空间，这些强子所形成的束流称为喷注(jet)。而硬散射过程产生的部分子由于方位角的背对背最终形成两个背对背的喷注，它们之间的夹角△ψ≈π，能量近似相等，这样产生的一对喷注称为双喷注(Dijet）。在重离子碰撞中，极端高温高密环境形成QGP热密物质，硬散射产生的部分子在穿越QGP时，会与热密物质发生相互作用从而损失能量，这种现象被称为喷注淬火(Jet Quenching)。损失的能量，会改变喷注的飞行方向和能动量，从而导致双喷注之间的夹角偏离△ψ≈π和背对背喷注之间的能量不对称，由于喷注产生于碰撞初期，早于QGP的生成，因此这些性质的改变能够反映QGP物质对喷注的相互作用信息，因此，喷注是研究QGP信号的重要探针。本论文的研究工作，正是基于喷注作为QGP研究的重要探针开展，研究双喷注之间的横动量不对称性。
　　目前，ATLAS和CMS通过研究高横动量双喷注的方位角和横动量，得到了双喷注在核-核碰撞中的方位角加宽以及横动量的不对称性。而通过研究末态带电粒子的产额及其性质我们知道，硬散射过程产生的低横动量的喷注与QGP热密物质的相互作用过程更加复杂，对能量损失更为敏感，因而对低能喷注的研究能更好更细致的探究QGP的性质。本课题主要期望，利用ALICE特有的探测器对低横动量的喷注展开研究，通过与相同条件下的质子-质子碰撞结果比较，测量低能双喷注横动量不对称性，研究喷注淬火现象。
　　本次分析，我们利用2015年ALICE探测器采集的质心碰撞能量为5.02 TeV的数据样本。首先对数据样本进行质量检测(Quality Assessment)，确保选择的数据来自真实的物理碰撞过程，并对数据进行物理选择。然后对径迹和喷注进行蒙特卡洛(Monte Carlo)分析，为后面的修正做铺垫。最后，研究质子-质子和铅-铅碰撞中的双喷注横动量对称性，通过对比分析，研究喷注淬火效应对双喷注性质的影响。

目录

声明

摘要

第一章 理论基础

1．1 标准模型

1．2 量子色动力学(QCD)

1．3 重离子碰撞

1．3．1 重离子碰撞的演化过程

1．3．2 碰撞中心度

1．4 夸克胶子等离子体的信号

1．4．1 集体流效应

1．4．2 喷注淬火效应

1．5 分析动机

第二章 ALICE实验探测器及离线分析

2．1 大型重离子对撞机实验(ALICE)

2．1．1 内部径迹探测器(ITS)

2．1．2 时间投影室(TPC)

2．1．3 V0探测器

2．2 蒙特卡洛模拟产生器

2．3 ALICE离线分析

2．3．1 事件的重建

2．3．2 喷注的重建

第三章 数据的质量检测(Quality Assessment)

3．1 数据样本

3．2 物理事件选择

3．3 带电径迹分布

3．4 带电喷注分布

第四章 结果与讨论

4．1 双喷注选择

4．2 双喷注横动量不对称性分析

4．2．1 次领头喷注横动量截断的影响

4．2．2 领头喷注横动量截断的影响

4．2．3 双喷注方位角截断的影响

4．2．4 不同中心度选择的影响

4．3 铅-铅碰撞的修正结果

4．4 质子-质子碰撞的修正结果

4．5 质子-质子碰撞与铅-铅碰撞结果的比较

4．6 HIR数据的分析

第五章 总结与展望

参考文献

致谢