RHIC-STAR 200GeV质子-质子和金核-金核对撞中重味强子衰变电子的测量

摘要

量子色动力学(QCD)是用来描述自然界四大基本作用力之一的强相互作用的基本规范场理论。众所周知，强相互作用的基本粒子是夸克和胶子，并且具有两个显著特征:渐近自由和色禁闭。由于色禁闭，在正常条件下，实验上尚未观测到自由夸克，这意味着夸克总是被束缚在色单态的强子内。格点QCD计算预言在高温高能量密度的极端条件下会发生从强子气到夸克解禁闭的新物质形态夸克胶子等离子体(QGP)的相变。在实验上通过高能重离子碰撞形成高温高密的极端条件来寻找QGP并研究它的性质。位于美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)通过核核碰撞来研究QGP的性质以及QCD相图。RHIC自2000年运行以来，在重离子碰撞中发现了大量QGP存在的实验证据，例如“喷注淬火”现象、椭圆流的组分夸克标度性等等。这些实验结果表明在RHIC已经形成了强耦合的夸克胶子等离子体(sQGP)，下一步的核心问题是研究QGP的特性以及QCD物质的相结构。
　　由于重味夸克（粲夸克和底夸克）的质量比较大，粲夸克约为1.3GeV/c2和底夸克约为4.2GeV/c2，远远大于ΛQCD(QCD标度参数)和TQGP，所以它们被认为主要通过胶子聚合在重离子碰撞早期(QGP产生之前)的硬散射过程产生。这就意味着这些重味夸克会经历QGP演化的所有阶段，从而其运动学会携带关于与QGP相互作用的信息。因此重味夸克被认为是研究QGP性质的理想探针。同时由于重味夸克产生时的大横动量转移，其截面可以被微扰QCD理论计算。理论计算预言，由于死锥效应，重味夸克通过胶子辐射损失的能量要比轻夸克少。因此测量重味夸克强子半轻子道衰变电子的核修正因子，对于理解RHIC能区核核碰撞部分子的能损机制及QGP性质都有着重要意义。特别是，粲夸克和底夸克核修正因子的分离测量对验证部分子能量损失的质量依赖性至关重要。
　　本篇论文利用位于RHIC上的螺旋径迹探测器(STAR)，研究了重味夸克强子衰变电子在200GeV质子-质子碰撞中低横动量区的产生和在200GeV金核-金核碰撞中高横动量区的产生。用于本篇论文分析的实验数据是STAR分别于2012年和2014年采集的最小无偏质子-质子碰撞和电磁量能器触发的金核-金核碰撞的数据。利用STAR时间投影室提供的电离能损，在低横动量区结合飞行时间探测器测量的粒子速度和在高横动量区结合桶部电磁量能器测量的簇射总能量（金核-金核碰撞中额外使用簇射最大探测器测量的簇射形状）进行电子鉴别。同时电磁过程产生的电子本底（光子转换，轻中性介子π0和η达利兹衰变）通过重建标记电子（正电子）和所有伴随正电子（电子）的不变质量在统计上扣除。经过来自于纯电子样本数据、STAR探测器模拟和蒙塔卡罗样本分析的效率修正，获得了重味夸克强子衰变电子在质子-质子碰撞中的低横动量微分截面谱和在金核-金核碰撞中不同碰撞中心度下的高横动量不变产额谱。
　　在质子-质子碰撞中，重味夸克强子衰变电子的微分截面谱在横动量大于0.5GeV/c的区间能够被微扰QCD理论模型计算很好的描述。而在极低横动量区间，QCD理论计算低估了电子的产额，这为以后理论模型的计算提供了实验参考限制。同时这个测量也为重味夸克强子衰变电子在金核-金核碰撞中核修正因子的测量提供了高精度的参考基线。这也是STAR第一次将重味夸克强子衰变电子的测量扩展到低横动量区。
　　在金核-金核碰撞中，相比于之前STAR发表的结果，本篇论文提高了重味夸克强子衰变电子的不变产额谱和核修正因子的测量精度。在金核-金核对心碰撞中，重味夸克强子衰变电子的不变产额谱明显偏离（低于）核子核子碰撞数目(Ncoll)标度的微扰QCD理论计算值，这表明热核物质效应的存在，并且从对心到偏心碰撞，这个偏离变得越来越小，与偏心碰撞中核物质效应小的预期是相符的。同时在金核-金核对心碰撞中，重味夸克强子衰变电子的核修正因子在高横动量区观测到强烈的压低，这与重味夸克在致密物质QGP里的能量损失一致，为理论研究重味夸克与QGP相互作用的能损机制和QGP的性质提供重要的实验参考。更进一步地，核修正因子的测量也为粲夸克和底夸克的分离测量提供了总的核修正因子，这为部分子能量损失的质量依赖性的验证创造了条件。

目录

声明

摘要

ABSTRACT

Contents

Chapter 1 Introductions

1．1．2．Quantum Chromodynamics

1．2 Relativistic Heavy Ion collisions

1．2．1．Transverse momentum spectrum，Energy loss and Jet quench-ing

1．2．2．Anisotropic flow

1．3 Open heavy flavor production in HIC

1．3．1．Heavy quarks as probes of sQGP

1．3．2． Experimental results

Chapter 2 Experimental Setup

2．2 The Solenoidal Tracker at RHIC

2．2．1．The Time Projection Chamber

2．2．2．The Time Of Flight detector

2．2．3．The Barrel Electromagnetic Calorimeter

Chapter 3 Non-photonic Electron Analysis

3．1．1．Analysis principle

3．1．2．Dataset and Event selection

3．1．3．Track selection and Electron identification

3．1．4．NPE raw yield extraction

3．1．5．Efficiency and Acceptance

3．1．6．Background subtraction

3．1．7．Trigger／Vertex bias correction

3．1．8．Bin shift correction

3．1．9．Systematic uncertainties

3．2 Run 2014 200 GeV Au+Au Collision Analysis

3．2．1．Dataset and Event selection

3．2．2． Centrality definition

3．2．3．Track selection and Electron identification

3．2．4．NPE raw yield extraction

3．2．5． Efficiency and Acceptance

3．2．6．Equivalent number of MB events

3．2．7． Combine NPE results

3．2．8．Background from J/ψ decay

3．2．9．Systematic uncertainties

Chapter 4 Results and Discussion

4．2 Invariant yields and RAA of NPE at high pT in 200 GeV Au+Au collisions

4．3 RAA at intermediate pT in 200 GeV Au+Au collisions

4．4 Summary

Chapter 5 Outlook

5．1 The Heavy Flavor Tracker

5．2 Invariant yields and RAA of NPE in 200 GeV Au+Au collisions

5．3 Bottom decayed electrons in 200 GeV Au+Au collisions

Bibliography

Acknowledgements

Publications