相对论重离子碰撞中喷注淬火效应的定量研究

摘要

自上世纪七十年代一种新的物质形态-夸克-胶子等离子体(QGP)被预言以来，在实验室条件下开展极端相对论重离子碰撞实验形成高温高密的热核环境是产生和研究QGP物质有效而重要的手段。QGP物质被认为是宇宙大爆炸初期的产物，因此对QGP物质的研究将深远地影响人们对宇宙的演化、星体的形成与性质以及物质的微观结构与相互作用等多方面的认识。在极端相对论重离子碰撞实验中，QGP物质只存在于碰撞早期的极短暂时间内，如何根据碰撞后产生的末态强子信息来判断QGP物质的产生以及研究其性质，是高能核物理领域一个极其重要的课题。经过几代物理学家持续不懈的努力，在美国布鲁海汶国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)和欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)上相继开展了高能核-核碰撞实验，大量的实验数据表明QGP这一全新物质形态已经产生，其中在大横动量区域出现的喷注淬火(JctQuenching)现象是QGP物质产生的一个强有力的证据。
　　在高能核-核碰撞初期，硬散射过程产生的高能部分子喷注在穿过QGP介质时遭遇介质内的部分子多重散射，从而诱导辐射胶子而损失能量，最后碎裂成的末态强子谱与相同能量下核子-核子碰撞的末态强子谱比较，存在明显的压低，这一现象便是喷注淬火效应。末态大横动量强子谱的压低反映的喷注淬火现象不仅能够很好地检验微扰量子色动力学(pQCD)的理论预言，还能够帮助人们理解QGP物质的时空演化，从而成为相对论重离子碰撞研究的一个热点方向，受到了理论学家和实验学家们的广泛关注和重视。随着高能核物理实验从RHIC到LHC的运行，核-核碰撞的质心系能量越来越高，实验数据的积累也越来越丰富，目前针对夸克、胶子物质敏感的喷注淬火硬探针信号的研究已经进入到一个更精细的定量研究时期。
　　本文基于次领头阶pQCD部分子模型，采用3+1维理想流体力学对QGP介质的模拟以及由pQCD高扭度框架给出喷注能量损失的理论研究，通过计算RHIC/LHC能区核-核对心和非对心碰撞中末态大横动量单强子谱和双强子谱的产生以及分析强子谱的压低，定量研究高能喷注硬探针在QGP介质传播过程中的能量损失。由于通过喷注能量损失了解夸克、胶子物质硬探针信号的一个重要技术手段是提取和分析喷注能量损失参数或喷注输运参数，因此本文关于高能核-核碰撞中喷注淬火效应的定量研究主要包括以下三个方面提取和分析喷注能量损失参数的内容。
　　首先我们定量计算并分析了RHIC能区金-金对心碰撞和LHC能区铅-铅对心碰撞中高能部分子喷注的输运性质。理论计算表明，喷注单位长度横动量展宽的方均值即输运参数以及喷注的平均自由程是反映高能部分子喷注在QGP介质中传播的输运性质的两个重要物理量。本文基于次领头阶pQCD部分子模型，考虑到喷注的能量损失对末态部分子碎裂函数的有效修正所引入的喷注输运参数或能量损失参数以及平均自由程，从而能够同时提取和分析喷注输运参数(q)和喷注的平均自由程λ。我们计算了在RHIC和LHC能区下对心核-核碰撞中末态大横动量单强子谱的核压低因子RAA，通过与实验数据进行x2/d.o.f.拟合，同时提取了在初始时间Τ0时核-核碰撞中心处的初始喷注输运参数(q)0值和初态平均自由程λ0值。我们得到的RHIC和LHC能区的初始喷注输运参数(q)0值与当前JET国际合作组用其它理论模型得到的结果一致，而且我们关于初态平均自由程λ0的提取值表明实验数据更“喜欢”喷注在QGP介质中发生的散射在单次散射极限和多次散射极限两种可能性之间，这个结论为学术上应该采取单次散射近似还是多次散射近似的争论给出了不同的判断。另外，我们利用提取出的初始喷注输运参数(q)0值和初态平均自由程λ0值，定量地给出了高能部分子喷注在QGP介质传播过程中的横动量展宽的较小值，证明高能部分子喷注在介质中发生多重散射时几乎不改变路径，沿着直线传播，这与人们通常采取的近似是一致的。
　　然后我们定量计算并分析了RHIC能区金-金非对心碰撞和LHC能区铅-铅非对心碰撞中末态单强子谱和双强子谱的压低。在上述工作中，喷注输运参数和喷注平均自由程并不是彼此严格独立的物理量，我们的数值结果表明它们彼此之间存在一定的关联，因此我们采用pQCD高扭度框架最近关于部分子喷注平均散射数目的理论研究改进了我们的理论模型，这样吸收了平均自由程物理量的多重散射次数直接与喷注输运参数关联起来。我们计算了RHIC/LHC能区下不同对心度核-核碰撞中单强子谱的核压低因子RAA和双强子谱的核压低因子IAA，通过与实验数据进行x2/d.o.f.拟合，全面综合地提取了RHIC/LHC能区喷注输运参数的初始值(q)0。这些结果与我们前面工作的结论一致，一方面证明在末态单强子谱和双强子谱的产生中喷注淬火效应描述的一致性，另一方面也表明在对心碰撞和非对心碰撞中喷注淬火效应描述大横动量强子谱的压低也具有一致性。另外，我们在3+1维理想流体力学对QGP介质时空演化描述的基础上计算的RHIC/LHC能区非对心核-核碰撞中核压低因子的数值结果与实验数据一致，一方面证明越对心碰撞，产生的QGP的体积越大，寿命越长，另一方面也证明越对心碰撞，喷注的能量损失越大，即喷注能量损失与QGP的体积和寿命有关。我国将来可能在CEPC-SPPC上运行更高能量的核-核碰撞实验来研究QGP相变，本文预研了30TeV和100TeV能量下核-核碰撞中末态单强子谱的核压低因子，并给出了参考值范围。
　　最后我们研究了QGP介质温度的时空演化对喷注输运参数的影响，并相应提取了喷注的输运参数。在上述两个工作中，我们假定了喷注输运参数和介质温度的三次方成正比，但是最近的实验数据和理论研究表明，喷注输运参数除了与温度三次方的依赖关系外，还可能存在额外的温度依赖关系。为此，我们假定(q)/T3与温度T成线性关系，引入临界温度Tc=170MeV时的(q)c和碰撞系统最高温度Th(如RHIC能量Th=373MeV)时的(q)h两个输入值。利用次领头阶pQCD部分子模型，我们计算了高能核-核碰撞中末态强子谱的核压低因子RAA和椭圆流参数v2，通过结合核压低因子和椭圆流参数两者实验数据进行拟合，我们提取的与实验数据符合较好的(q)c和(q)h数值结果表明，在临界相变温度Tc=170MeV附近(q)/T3出现了峰值，与(q)/T3为常数情形相比，喷注在传播过程中能量损失的峰值向临界相变温度附近移动。喷注输运参数这种额外的温度依赖关系，将增强高能部分子喷注能量损失的各向异性，有可能进一步帮助我们加深对大横动量强子椭圆流的理解。我们的研究提交了重新标度的喷注输运参数(q)/T3对QGP介质温度依赖的各种可能性，实验数据“选择”了在临界相变温度附近(q)/T3有明显增强的结论，这是与目前相关问题其它研究不同的一个崭新视角。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 物质的结构和强相互作用

1．2 夸克-胶子等离子体和相对论重离子碰撞

1．3 探测QGP的信号

1．4 本文提纲

第二章 基于pQCD部分子模型的高能核-核碰撞中强子谱的产生

2．1 pQCD理论

2．2 基于pQCD理论的部分子-部分子微分散射截面

2．3 核子-核子碰撞中强子谱产生的微分散射截面

2．4 核-核碰撞中强子谱产生的微分散射截面

2．4．1 核厚度函数

2．4．2 核介质中修正的初态部分子分布函数

2．4．3 核介质中修正的末态部分子碎裂函数

2．5 核压低因子RAA

第三章 定量研究喷注在QGP介质中的输运性质

3．1 喷注在QGP介质中的能量损失

3．2 喷注输运参数和3+1D理想流体力学介质模型

3．3 基于pQCD部分子模型的末态强子谱产生

3．4 数值结果与实验对比分析

3．5 本章小结

第四章 非对心核-核碰撞中单／双强子谱的压低

4．1 不同对心度核-核碰撞的pQCD部分子模型

4．2 RHIC／LHC能量下非对心核-核碰撞中单强子谱压低的x2拟合

4．3 RHIC／LHC能量下非对心核-核碰撞中双强子谱压低的x2拟合

4．4 RHIC／LHC能量下核-核碰撞中的表层发射和深层发射

4．5 预研更高能量下核-核碰撞中单强子谱的压低

4．6 本章小结

第五章 喷注传播过程中能量损失对介质温度的依赖关系

5．1 喷注输运参数额外的温度线性依赖关系的假定

5．2 根据对心和非对心碰撞中的RAA实验数据拟合两个输入值

5．3 根据非对心碰撞中的v2实验数据拟合两个输入值

5．4 综合RAA和v2拟合两个输入值

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

完成的论文和工作

致谢