高能核—核碰撞中新物质形态及其强子化物理研究

摘要

量子色动力学预言在极高能量密度下，会产生一种由夸克，反夸克和胶子组成的新物质形态，这是夸克胶子等离子体(QGP)。而相对论重离子碰撞就是深入研究这种新物质形态的重要实验手段，人们希望通过这种方法，实现从强子物质到夸克物质的相变。研究高能碰撞的末态观测量，比如：末态粒子的分布谱、粒子关联、起伏……，是了解高能重离子碰撞演化过程及粒子产生机制的重要途径。本文利用在布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上四个实验组的数据，深入探讨了末态粒子的产生机制及其分布的特征。
　　 本文首先简单回顾了相对论重离子碰撞的实验和理论的现状。然后介绍计算中所需的基本物理概念和唯象模型，包括描述核-核碰撞中，核几何形状的Glauber模型；重组合模型(Recombination/Coalescence(ReCo)Model)，特别是Oregon小组(Hwa/Yang)模型的基本思想；以及Peter Levai小组的ALgebraic COalescence Rehadronization模型(ALCOR)。
　　 首先利用统计力学方法探讨了高能重离子碰撞中产生的QGP的热力学性质。在高温下，由于渐近自由，部分子之间的相互作用很弱，所以可以把夸克和胶子当作自由气体来处理。但是，在临界温度(Tc)附近，由于偶合常数比较大，所以很难再利用解析的方法。如果从第一原理出发，利用格点QCD计算，又需要大量时间和计算机资源。因此，在本文第二章中，将会用一个自洽的准粒子唯象模型研究QGP的热化性质。假设部分子间的相互作用可以全部包含在其质量之中，这样就可以把系统当作理想气态来处理，然后再利用统计力学，计算各种热力学量。在T＞Tc区域，可以很好的拟合格点QCD数据。
　　 基于ALCOR模型讨论奇异粒子在不同波函数组合下的产生率。结果表明强子产生率依赖于胶子质量，但对温度并不敏感；而产生率之比几乎与胶子质量无关。再选择能量为√s=200AGeV，Au+Au中心碰撞中的粒子比φ/K*=0.60±0.15作为出发点，计算在不同波函数组合的强子比，结果表明粒子之比对波函数的选择不敏感。另外，本文还利用最新的实验数据p/π和(p)/p，在夸克重组合模型(Recombination Model)的框架下，重新探讨了高能重离子碰撞中，在向前快度区域(η=3.2)末态强子的产生。重新考虑了系统中部分子动量衰减和夸克再生效应后，得到与实验数据相符的带电强子谱和较大的质子与π介子之比，而且还预言了反质子与质子之比。
　　 在深入研究核-核碰撞的重叠区域几何结构基础上，统一描述了在低横动量区域(pT＜2GeV/c)，π0介子所有与轴向方位角有关的观测量：核修正因子RAA(φ，Np)，椭圆流v2(Np)和ridge产量YR(φs，Np)，并与实验数据符合的很好。两个基本的出发点是：系统表面的半硬散射导致轴向异性和ridge粒子的产生与触发粒子的选择无关。虽然RAA是单粒子分布的量度，而YR是触发粒子和其伴随粒子关联的量度，但两者之间存在着紧密的联系。在整个物理图像中，最关键一点就是把单粒子分布dNπAA/pTdpTdφ分为两部分：不依赖于方位角φ的bulk组分(B(pT，Np))和依赖于φ的ridge组分(R(pT，φ,Np))。
　　 最后，本文利用RHIC实验数据，深入研究不同的中心度，(赝)快度和碰撞系统下，π介子，质子和反质子横动量谱的标度行为。结果表明：π介子的标度行为不依赖与中心度、(赝)快度、碰撞系统和质心能量而存在。而对于质子和反质子，在√sNN=200 GeV下，Au+Au碰撞中也存在不依赖于中心度和快度的标度行为。但三者的标度行为存在着差别，这与粒子的夸克组成有着紧密的联系。在这些过程中，表征这些粒子标度行为的参数只有一个：粒子的平均横动量〈pT〉，其依赖于中心度、快度、碰撞能量及其碰撞系统。一旦知道了〈pT〉，那么低pT区的软过程部分和高pT区的硬过程部分就可以由粒子标度函数决定了。然后再利用π介子和质子标度行为，研究p+p碰撞中带电强子在不同多重数下横动量分布的标度行为。发现不同多重数下的分布谱仍具有标度行为，并可以用π介子和质子标度函数的线性叠加来表示。与动量不同，动能是一个标量，并直接与热密物质的温度相关。由于质量效应，对于不同的粒子，相同的动量对应着不同的动能。这样，在超相对论重离子碰撞中，动能的分布更能有效地揭示系统的热化性质。因此，第七章还进一步研究质子和π介子横能分布的标度行为，并与其横动量的标度行为进行了比较，结果表明在低和高动量(横能)区域，横能的标度性更好。标度律可以作为探寻粒子产生的机制的一个重要信息。通过分析，发现弦碎裂和团碎裂机制可以分别描述π介子和质子的标度行为，但是不能同时得到这两种粒子标度行为，因此这两种机制并不是普适的粒子产生机制，需要寻找新的机制来解释末态粒子的产生。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

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第一章引言

第二章相关唯象模型

§2.1 Glauber模型

§2.1.1基本输入量

§2.1.2光学极限近似

§2.1.3 Glauber模型的Monte Carlo模拟

§2.1.4硬散射：TAB标度

§2.2 Recombination／Coalescence(ReCo)模型

§2.2.1基本思想

§2.2.2簇射部分子

§2.3 ALCOR模型

§2.3.1 Transchemistry和ALCOR

§2.3.2基本公式

第三章 自洽的准粒子模型中QGP的热力学特征

§3.1准粒子模型

§3.2数值结果

§3.3夸克数的起伏

§3.4讨论

第四章高能重离子碰撞中奇异粒子的产生

§4.1夸克重组截面

§4.2强子产生率

§4.3夸克和双夸克波函数配对

§4.4介子产生率

§4.5数值结果

第五章 向前快度区域π介子和质子的产生

§5.1 几何结构

§5.2基本公式

§5.3动量衰减与夸克再生

§5.4粒子比

§5.5横动量分布

§5.6小结

第六章核修正因子和ridge对方位角依赖的关系

§6.1 RAA和ridge的联系

§6.2 ridge和双强子关联

§6.3 几何结构

§6.4椭圆流系数v2(PT，b)

§6.5 ridge产量对触发粒子方向φs的依赖

§6.6核修正因子

§6.7小结

第七章 高能重离子碰撞中粒子横动量分布的标度律

§7.1寻找粒子谱标度律的方法

§7.2 π介子横动量分布的标度行为

§7.2.1 Au+Au碰撞中，π介子横动量谱的标度律

§7.2.2标度律与系统能量的关系

§7.2.3 d+Au碰撞中，π介子横动量谱的标度律

§7.2.4标度行为中所隐含的物理意义

§7.2.5非广延熵与标度行为

§7.3质子和反质子横动量分布的标度行为

§7.3.1质子和反质子的标度律

§7.3.2各种粒子标度律的比较

§7.3.3讨论

§7.4 p+p碰撞中不同多重数下带电粒子谱的标度律

§7.4.1 p+p碰撞中带电粒子的标度行为

§7.4.2粒子谱中的粒子种类

§7.5 Au+Au碰撞中横动能分布的标度行为

§7.5.1横动能分布的标度行为

§7.5.2标度化的横动能分布与团衰变

§7.6小结与讨论

第八章总结与展望

参考文献

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