在RHIC能区质子-质子和金-金原子核对撞中重味夸克产额

摘要

相对论重离子碰撞的一个主要目的是研究在非常高的温度和能量密度下，解禁闭的夸克和胶子等离子体(QGP)的形式和性质，以及它们和硬部分子之间的相互作用。位于布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)和欧洲的大型强子对撞机(LHC)的实验结果表明，这种新的物质形态可以通过超高能相对论重离子碰撞产生。但是在实验上很难直接观察这种新的物质形态，因为夸克和胶子带色荷，因此它们会禁闭在强子内部。在实验上观测到的是末态的冷却的粒子，这种末态的粒子受到冷核和热核效应的影响，所以很难从末态粒子观测早期的QGP的演化过程。
　　重夸克被认为是研究QGP的完美探针，因为它们在重离子碰撞初期通过部分子的硬散射过程产生，而且质量很大，在RHIC能级下很难在QGP的演化中再产生。因此重夸克携带了系统的早期阶段的碰撞信息和QGP的热介质信息。在系统的演化过程中，重味夸克穿过介质并且和QGP相互作用，因此重夸克的性状中携带有QGP演化的信息，因此精确地分别测量charm夸克和bottom夸克的产额对于理解重夸克与介质的相互作用，以及介质的性质，部分子的能量损失机理是非常重要的。
　　由于重味夸克质量(charm和bottom夸克，mc≈1.3GeV/c2and mb≈4.2GeV/c2)远高于量子色动力学QCD标度(大约200MeV)，所以重味夸克的产生过程伴随着较高的横动量转移。由于QCD的渐近自由，这个过程可以很好地用微扰QCD描述。在试验中精确的测量重味夸克的产生可以很好地检验微扰QCD计算，而且为模型计算提供较准确的参数。
　　在2014年，STAR实验组安装了一个重味夸克劲迹探测器(HFT)，这是一个新的硅探测器，具有非常好的位置分辨率用于测量衰变顶点和碰撞顶点之间的最近距离(DCA)。由于charm和bottom强子的寿命不一样，通过DCA的差异，就能够分开charm和bottom强子半轻子衰变产生的电子。半轻子衰变道可以通过测量重味介子衰变产生的电子来测量重味夸克，尽管这是一种间接测量的办法，但也是一种非常有效的测量方法。在RHIC能区下重味夸克的产生截面比较小，所以测量一直受统计量的影响。和强子衰变道相比，半轻子衰变道衰变的电子有较好的统计量。在本论文中，除非有特别说明，所有的电子包括正电子和负电子。
　　最新的实验数据是在质心系200GeV质子-质子对撞中charm和bottom强子半轻子衰变产生的电子的产额，分析结果和微扰QCD的次领头阶(FONLL)计算在误差范围内一致。电子在质子-质子对撞的产额可以作为原子核对撞电子产额的基线，来研究热部分子在高温高密的介质中的能量损失。测量结果表明，非光电子的核修正因子在所有的中心度区间，高横动量（4GeV/c＜pT）范围有比较大的压低，且压低随着中心度的增加而不断减少，在低横动量区间核修正因子有加强，但是系统误差很大。分别测量了charm和bottom强子通过半轻子衰变道产生的电子在质心系200GeV金-金对撞的产额。本次测量结果表明bottom强子半轻子衰变产生的电子的核修正因子压低比charm强子衰变产生的电子要小，这一结果被认为bottom夸克和charm夸克相比，在热部分子中损失的能量要小。

目录

声明

摘要

Abstract

TABLE OF CONTENTS

CHAPTER 1 Introduction

1．1 Introduction to Quantum Chromodynamics

1．1．1 Deconfinement and phase diagrmm

1．2 Heavy Ion Collisions and Quark-Gluon Plasma(QGP)

1．2．1 Jet quenching

1．2．2 Collective motion

1．3 Heavy flavor production at RHIC energies

1．3．1 Previous non-photonic electron measurements at RHIC

1．4 Thesis outline

CHAPTER 2 Exoeriment Set-Up

2．1 Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC)

2．2 STAR experiment

2．3 STAR detectors

2．3．1 Heavy Flavor Tracker(HFT)

2．3．2 Time Projection Chamber(TPC)

2．3．3 Time Of Flight detector(TOF)

2．3．4 Electro-Magnetic Calorimeter(BEMC)

CHAPTER 3 Non-photonic electron production in p+p collisions at √s=200 GeV

3．1 The procedure for this analysis

3．2 Dataset and event selection

3．3 Inclusive and photonic electrons selection from data

3．3．1 Track quality cuts

3．3．2 Electron identification cuts

3．4 Efficiency correction to the raw spectra

3．4．1 TPC Tracking efficiency

3．4．2 Electron identification efficiency

3．4．3 BEMC trigger efficiency correction

3．4．4 Photonic electron reconstruction

3．4．5 hadron fraction estimation from electron purity fit

3．5 Result and discussion

3．5．1 Non-photonic electron cross section in p+p collisions at √s=200 GeV

3．5．2 Non-photonic electron nuclear modification factor

4 Measurements of open bottom and charm hadron production in Au+Au collisions at √sNN=200 GeV

4．1 The motivation and procedures for this analysis

4．1．1 Dataset and event selection

4．2 Inclusive electrons selection from data

4．2．1 Track quality cuts

4．2．2 Electron identification cuts

4．3 The charm and bottom hadron decayed electrons template from data driven simulation

4．3．1 EvtGen simulation

4．3．2 Electrons and hadrons DCAxy comparison from full detector Geant simulation

4．3．3 Data driven fast simulation

4．4 Background DCA template

4．4．1 Photonic electrons background

4．4．2 Hijing simulation

4．4．3 Hadron background DCAXY from data

4．4．4 hadron fraction estimation from electron purity fit

4．5 Fraction fit to the data inclusive electrons based on the template

4．5．1 Basic concepts of Minut

4．5．2 Systematic uncertainty

4．5．3 The fraction of B-decayed electrons

4．5．4 Nuclear modification factors RAA for D-and B-decayed electrons

CHAPTER 5 Summary and Outlook

5．1 Summary

5．2 Outlook

5．2．1 Detector upgrade proposals

5．2．2 Future measurements

References

PRESENTATIONS AND PUBLICATION LIST

Acknowledge