相对论重离子碰撞中各向异性径向流和切向粘滞性的研究

摘要

量子色动力学预言，在极端高温高密的环境下，会形成一种新的物质形态-夸克胶子等离子体(QGP)。这种物质是由大量解禁闭的夸克、反夸克和胶子组成，存在于宇宙大爆炸后的几微秒内。QCD理论描述夸克和胶子间的强相互作用，它有两个独特的性质:“夸克禁闭”和“渐进自由”。在一般的条件下，由于夸克禁闭的性质，我们无法直接观测到自由的夸克。在上个世纪七十年代，李振道等人曾经提出，通过高能重离子碰撞实验可以模拟宇宙大爆炸初始时期形成的高温高密环境，为夸克胶子等离子体的形成提供了可能条件。在过去的几十年里，物理学家们一直致力于寻找这种新物质形态，由此，高能重离子碰撞物理的研究得到了快速的发展。
　　位于美国纽约长岛的布鲁柯海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)于2000年首次运行成功，质心系能量达到了200GeV。在RHIC上获得的大量实验结果显示，已经有新的物质形态QGP的产生。在非对心核-核碰撞中，观测到强集体流现象就是QGP形成的一个非常重要的证据。在低横动量区，末态粒子的椭圆流υ2随横动量的增加而单调递增，并且呈现出明显的质量顺序性。低横动量区的实验结果与理想流体力学的计算结果拟合的很好，显示出RHIC能区形成的物质是一种近理想流体，即强耦合QGP。在中间横动量区，观测到的末态粒子椭圆流υ2具有“组分夸克”标度不变性，表明在强子化的过程中出现了组分夸克的自由度，已经生成了解禁闭的部分子物质。另外，在高横动量区的喷注淬火现象是QGP形成的另一个有力证据。
　　理想流体力学模型仅能描述低横动量区的椭圆流，不能描述中间横动量和高横动量区的实验数据。应用粘滞流体力学模型进行修正，表明碰撞形成的物质具有一个较小的切向粘滞系数。测量系统的切向粘滞系数是目前高能碰撞物理中的一个热点问题。但是由于理论上的不确定性，特别是目前对于碰撞早期的粒子产生和热化机制缺乏足够的了解，使得切向粘滞系数的值很难被精确的测定。因此，如何减小不确定度从而精确地对其进行测量，一直是备受关注的问题。目前实验上主要通过同时拟合椭圆流和三角流等方法，试图降低这种不确定度。因此，直接从实验上测量形成物质的切向粘滞性是非常重要的，本文在第五章建议了一种新的测量切向粘滞系数的方法。
　　我们知道，末态多重数方位角分布的的傅立叶展开的第二项系数即为椭圆流，它反映了末态粒子在方位角空间的位置分布具有各向异性。椭圆流对系统的状态方程和粘滞性都非常敏感，它反映了碰撞早期的动力学特征。系统的各向异性扩展不仅导致了末态多重数的各向异性分布，同样还导致了相应的横动量分布的各向异性。方位角多重数分布着重于表示方位角空间的粒子数目的多少，它表征了粒子密度的空间位置分布。然而粒子的运动学分布的特征是如何的呢？这是我们所忽视的问题。在本文中，我们首次建议研究末态粒子总横向动量的方位角分布和平均横向动量的方位角分布。第三章中，利用多相输运模型AMPT产生质心系能量为√SNN=200GeV的Au+Au碰撞事件作为样本，我们研究了三种方位角分布函数，它们分别是末态粒子多重数的方位角分布、总横向动量的方位角分布以及平均横向动量的方位角分布。我们发现这几种分布有相似的趋势，都呈现出余弦函数cos(2φ)的形式。同时，它们对应的各向异性参数都显示出了相似的中心度依赖性。在每个中心度，粒子多重数分布的各向异性参数都比平均横动量分布的各向异性参数大，而总横动量分布的各向异性参数是最大的。它表明了总横动量分布的各向异性，同时包含了粒子数目和相应的横动量这两方面的贡献。因此，末态粒子总横向动量的方位角分布和平均横向动量的方位角分布可以很好的描述系统的运动学扩展信息。我们在研究横平面内的各向异性扩展时，应该同时考虑平均横动量扩展的各向异性效应，它与传统观测的椭圆流是不同的。
　　末态粒子各向异性径向流反映了系统形成早期的动力学信息，它与系统的状态方程和耗散性质相关，是一个非常重要的物理量。碰撞后系统向外扩展和冷却都发生在非常短的时间内，系统刚形成时内部只有热能量。随着系统的演化，一部分热能逐渐转化成集体流能量，所以末态粒子的总能量由热能和集体流能量共同组成，而热能是由温度和粒子的质量决定的。末态粒子的速度是由平均径向扩展速度，各向异性速度和热运动速度这三种速度组成，如何区分这三种速度是非常重要的。各向异性径向流反应了径向扩展强度在in-plane和out-of-plane方向的区别，流的径向扩展导致了末态观测到的椭圆流。实验上主要是利用Blast-Wave模型拟合粒子的横谱和椭圆流，从而提取动力学freeze-out时的各参数（温度、流速、源的形状等），分离随机热运动和集体流运动。Blast-Wave模型的基本假设就是系统达到局域热平衡，所有的粒子以相同的速度向外膨胀。但是由于在参数化过程中，Blast-Wave模型具有较大的系统不确定性，所以很难精确地测量各向异性径向流速，它是模型依赖的。在本文的第四章，我们建议用末态粒子微观平均径向快度的方位角分布来直接测量各向异性径向流速，这种方法不依赖于模型。根据第三章的内容，粒子的平均横动量在方位角相空间也是各向异性分布的，它的傅里叶展开系数与传统的椭圆流是不同的，描绘的是系统运动学的运动学扩展。但是由于横动量并不是一个洛伦兹不变量，所以我们引入了平均横向快度，继而讨论它的方位角分布，它作为洛伦兹不变量，可以更方便地描述系统的运动学扩展。本文利用AMPT模型产生的Au+Au碰撞事件作为样本，测量了末态粒子径向快度的方位角分布，并对它进行傅立叶展开。径向流各向同性部分包含了热运动和集体流运动的贡献，而由于热运动是各向同性的，各向异性的部分因此只包含了集体流运动的贡献。为了进行比较，我们在同一个事件样本中，采用Tsallis分布的Blast-Wave模型，提取了动力学freeze-out的参数。将本文建议的方法测量出的各向异性径向流速与Blast-Wave模型提取的径向流参数进行比较，发现它们在数值上十分接近。同时，我们比较了它们的中心度依赖性，发现在每个中心度它们的数值都是非常接近的。我们建议用末态粒子微观平均径向快度的方位角分布来直接测量各向异性径向流速度，它不依赖于模型。
　　此外，各向异性径向流速与系统的切向粘滞是密切相关的。在流体力学中，系统的切向应力张量是正比于径向流速梯度的，因此各向异性径向流的直接测定对形成物质的切向粘滞研究具有重要的意义。在本文的第五章中，我们建议利用相邻方位角bin-bin多重数关联来直接测量碰撞形成物质的切向粘滞系数。文献[118]中，吴元芳等人首次提出了新的物理观测量，bin-bin多重数关联花样，它与传统的两粒子关联不同，不仅能描绘关联强度与关联长度的关系，同时还能描绘出关联强度对空间位置结构的依赖性。
　　本文主要将bin-bin多重数关联应用到方位角相空间，描绘系统内部流层与流层之间的相互作用。在理想流体中，层与层之间没有相互作用，各流层间的流速是相同的。而在粘滞流体中，层与层之间有相互作用，各流层间流速不同，因此径向方向存在速度梯度。我们利用相邻方位角bin-bin多重数关联与内部相互作用能的关系，并结合粘滞流体力学中的耗散能量，推导出切向粘滞系数的具体表达式，它与相邻方位角bin-bin多重数关联和径向流速梯度相关。利用AMPT模型产生散射截面分别为σ=3mb和σ=6mb的事件样本，分别测量样本中形成物质的切向粘滞系数，并与理论上的结果相比较，发现它们是定性相符的，即散射截面越大，对应的系统切向粘滞系数的值越小。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 高能重离子碰撞简介

2．1 相对论重离子碰撞的时空演化图像

2．2 集体流

2．3 模型介绍

2．3．1 流体力学模型

2．3．2 多相输运模型AMPT

2．3．3 量子分子动力学模型RQMD

第三章 方位角分布

3．1 粒子多重数方位角分布及椭圆流

3．2 总径向动量和平均径向动量的方位角分布

3．3 各向异性参数对中心度及横动量的依赖性

第四章 各向异性径向流的测量

4．1 径向流简介

4．2 Blast-Wave模型对径向流参数的估计

4．2．1 Blast-Wave(BW)模型简介

4．2．2 Boltzmann-Gibbs分布与Tsallis分布

4．2．3 推广的BW模型和各向异性径向流参数

4．3 径向快度的方位角分布和各向异性径向流

4．4 模型参数和直接测量结果的比较

第五章 bin-bin多重数关联与切向粘滞系数

5．1 关于切向粘滞性的研究现状

5．2 bin-bin多重数关联花样

5．2．1 两bin多重数关联定义

5．2．2 相邻方位角bin-bin多重数关联花样

5．2．3 初始几何形状对相邻方位角bin-bin多重数关联的影响

5．3 相邻方位角bin-bin多重数关联与切向粘滞系数

5．3．1 bin-bin多重数关联与切向粘滞系数的关系

5．3．2 利用AMPT模型测量切向粘滞系数

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和主要会议报告列表

致谢