强子-强子和相对论重离子碰撞中相空间的bin-bin多重数关联

摘要

探索物质的质量起源和微观结构，是现代物理学研究的前沿领域。目前人们普遍认为夸克和胶子是物质的基本组成单元。量子色动力学(QCD)是描述夸克和胶子之间的强相互作用的一个成功的规范理论。QCD理论有两大基本特征，一是渐进自由，即当夸克之间的距离靠的很近时，耦合强度变得非常的小；二是夸克禁闭，即强相互作用具有长程的”色禁闭”特征，夸克被禁闭在强子内部，使得人们看不到自由的夸克。”夸克禁闭之谜”被称为20世纪物理学的一大疑云。20世纪七十年代，李政道等人提出：通过相对论重离子碰撞，有可能产生极大温度，极高密度的环境，形成解除禁闭的新物质形态——夸克胶子等离子体(QGP)，从而在实验室里可以观察到自由的夸克和胶子。由此，相对论重离子碰撞的实验和理论研究迅速发展，称为跨世纪物理的一个重要方向。
　　 本世纪伊始，美国布鲁克汶国家实验室(BNL)建立超高能的相对论重离子对撞机(RHIC)，实现了平均每对核子200GeV的金金对撞。通过多年的努力，RHIC上发现了解禁闭的夸克胶子自由度，观察到了新物质相——夸克胶子等离子体。这一结论主要源于三个物理实验事实：1)在RHIC能区观察到形成新物质形态所需要的能量密度，它几乎是普通核物质能量密度的100倍；2)高横动量的粒子穿过热密物质时能有较大的能量损失；3)观测到末态粒子的各向异性集体流的行为，并且在中横动量区间，集体流具有组分夸克的标度性，这一物理性质能被理想流体力学模型很好的描述，因此人们称RHIC能区形成的新的物质为具有强耦合的夸克胶子等离子体，简称SQGP。
　　 然而，理想流体力学模型描述各向异性椭圆流参数是存在一定的局限性，比如：仅限于描述低横动量区间粒子的椭圆流；不能很好的拟合不同粒子的椭圆流参数，尤其是重味粒子的情况；更有，200GeV质心能量下的铜铜碰撞的椭圆流的实验结果，远远大于理想流体力学计算的结果，几乎和相同碰撞能量下的金金碰撞具有相同的数量级。随后U.Heinz等人采用粘滞流体力学模型对这些实验结果进行重新拟合，通过调整模型中的粘滞系数，可以很好的重现这些物理实验数据。所有这些说明RHIC能区产生的新物质形态不是处于理想流体态，而是处于粘滞流体态。如何测量这种新物质形态的粘滞系数，成为大家关心的另一个热点问题。
　　 本文建议利用相邻bin轴向角关联花样测量切向粘滞系数。理想流体中，层与层之间无相互作用，各流层的速度相同，没有速度梯度；粘质流体中，层与层之间存在相互作用，各流层的速度不同，有速度梯度。相邻bin轴向角关联花样能很好的描述这种流层与流层之间的相互作用，能反映集体流的内部相互作用信息。利用相邻bin轴向角关联花样与物质内部相互作用能的关系，结合粘滞流体力学耗散能的一些理论，本文给出了切向粘滞系数的具体计算公式。已知相对论重离子碰撞末态粒子的相关物理信息，就可以得到新物质形态的切向粘滞系数。因此，这种新的测量切向粘滞系数方法具有很强的可行性，为实验上研究新物质形态的性质提供了一种可能。
　　 多相输运模型AMPT，既包含强子层次上的输运，又包括部分子层次上的输运，它是描述相对论重离子碰撞比较成功的唯象模型。本文以该模型为例，研究了RHIC能区的金金碰撞过程中形成的物质形态的粘滞系数。利用可记录的末态粒子的相关物理信息，我们给出了相邻bin关联花样和平均横向速度对轴向角的依赖关系。其中，平均横向速度采用的是热模型拟合的结果。作为一种比较，本文分别研究了散射截面为3mb和10mb的情况，结果发现，散射截面越大，对应的切向粘滞系数越小，这和目前微观理论计算的结果是相吻合的。
　　 目前STAR测量的Forward-Backward关联的实验结果发现，快度方向上的长程关联会随着碰撞中心度的增大而逐渐增强，这和碰撞初态模型色玻璃凝聚预言的结果是相符的。由此，人们推测快度方向上的长程关联源于相对论重离子碰撞初态的色玻璃凝聚(CGC)效应，这对我们进一步的理解相对论重离子碰撞的时空演化图像，以及相关动力学机制有很大的帮助。然而，相关研究表明碰撞参数的起伏和短程关联的起伏也能引起快度方向上的长程关联。问题产生了，长程关联是一些统计起伏的结果，和CGC没有关系呢，还是主要是CGC的原因，统计起伏只是一个背景因素?
　　 本文主要建议了两种快度关联花样——相邻bin快度关联花样和固定任意bin快度关联花样。这两种关联花样能同时记录关联强度随关联位置和关联长度的变化，是描述快度方向上的长短程关联很好的物理测量量。我们利用AMPT模型研究质心能量200GeV下金金碰撞的快度关联花样对碰撞中心度的依赖。随着中心度的增加，快度关联花样数值逐渐减小，对应的长程关联也在逐渐减弱，这和STAR测量Forward-Backward对中心度依赖的结果是不相符的。大家知道，在多相输运模型AMPT中，初始条件采用的是Glauber模型，而不是CGC模型。由此这可能间接说明相对论重离子碰撞的长程关联确实主要来自色玻璃凝聚(CGC)效应。另外，我们进一步研究了在弦融合AMPT模型产生固定碰撞参数事件样本中，快度关联花样和Forward-Backward关联对空间间隔的依赖。
　　 在非中心碰撞中，椭圆流也能间接的描述碰撞初态的物理信息，是高能重离子碰撞中一个很重要的物理观测量。本文利用AMPT模型具体研究了固定碰撞参数下的椭圆流，比如椭圆流对参加者核子数的依赖，对末态多重数的依赖，随时间的演化规律等。结果发现，在不同的固定碰撞参数情况下，随着末态多重数的增加，椭圆流或单调增加，或单调减小，而不是大家预想中的仅仅只是个简单的起伏。随着系统的时空演化，椭圆流慢慢被建立起来，但是椭圆流并不总是在增加的。本文观测到椭圆流先增大而后有个减小的过程，我们推测是弦融合AMPT模型中的强子化机制——夸克融合模型，减弱了粒子产生过程中的各向异性行为。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

第二章 强子-强子和相对论重离子碰撞的唯象模型和关联花样

2.1核子-核子碰撞模型PYTHIA

2.2相对论重离子碰撞的输运模型

2.2.1强子输运模型RQMD

2.2.2多相输运模型AMPT

2.3相空间的bin-bin多重数关联花样

第三章 轴相角bin-bin多重数关联花样

3.1强子-强子碰撞的轴相角bin-bin多重数关联花样

3.2核核碰撞的轴相角bin-bin多重数关联花样

3.3相对论重离子碰撞中切向粘滞系数的测量

3.3.1理想流体or粘滞流体?

3.3.2碰撞参数的起伏对轴相角关联花样的影响

3.3.3相邻轴相角bin多重数关联花样和切向粘滞系数

3.3.4 AMPT模型中切向粘滞系数的估计

第四章 快度bin—bin多重数关联花样

4.1强子-强子碰撞的快度bin—bin多重数关联花样

4.2核核碰撞的快度bin—bin多重数关联花样

4.3相对论重离子碰撞纵向多粒子产生的长短程关联

4.3.1长短程关联研究的简介

4.3.2实验中的Forward-Backward快度关联

4.3.3核子-核子和核核碰撞中快度关联花样对碰撞中心度的依赖

第五章 相对论重离子碰撞中各向异性的椭圆流与碰撞中心度的选择

5.1相对论重离子碰撞中各向异性椭圆流

5.2 Minibias事件样本中椭圆流对碰撞参数的依赖

5.3固定碰撞参数下椭圆流

5.3.1固定碰撞参数下椭圆流对末态多重数的依赖

5.3.2固定碰撞参数下椭圆流对参加者核子数的依赖随时间的演化

5.3.3固定碰撞参数下椭圆流与初态偏心度的比值对参加者核子数的依赖

第六章 讨论与展望

附录A 相对论运动学量

参考文献

发表论文和己完成论文情况

致谢