RHIC-STAR 200 GeV金核-金核对撞实验中奇异粲介子的测量

摘要

格点量子色动力学（Lattice QCD）预言了在极高温度和能量密度的条件下，物质会发生从强子态到夸克胶子等离子体(QGP)的相变，夸克和胶子解除禁闭。研究表明，这种新的物质形态可能产生于宇宙大爆炸初期，也可能存在于密度极高的中子星上。高能重离子对撞机是研究夸克胶子等离子体性质的重要手段，位于美国长岛的布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)就是研究物质相图和夸克胶子等离子体的实验装置。
　　和轻夸克不同的是，重味夸克主要通过对撞初期的硬散射过程产生，在伴随着系统的演化和与介质的相互作用过程中保持不变。由于重味夸克质量很大，不太容易受到与介质相互作用的影响，对碰撞早期的部分子的信息比较敏感。同时重昧夸克和介质之间的相互作用对介质的动力学比较敏感，因此重味夸克被认为是研究发生强相互作用的QCD物质的绝妙探针。到目前为止，有两个主要的问题涉及到重味夸克和QGP之间的相互作用:第一个是关于重味夸克在QGP介质里面热化程度以及强子化机制。这个问题可以通过测量重子/介子的产额比（对于粲夸克:Λc/D，对于底夸克:Λb/B），粲介子和底介子的椭圆流以及可能的通过热产生过程产生的粲夸克来解决。另外一个问题是重味夸克在介质中的能量损失以及质量依赖。这个问题可以通过对D介子和B介子在大动量范围里对核修正因子的测量来解决。
　　由于Ds介质的夸克组分比较特殊，由一个粲夸克和奇异夸克组成，它的产生会受到奇异夸克增强和粲夸克强子化机制的影响。如果在中低动量区间，粲夸克强子化到D介子的机制主要是通过粲夸克和轻夸克的重组合，可以预期在重离子对撞中，和质子质子对撞比较起来，低动量区间里的Ds介子产额相对于其他非奇异的D介子会有增强。因此，在重离子对撞实验中对Ds介子的核修正因子的测量可以帮助理解重味夸克强子化机制。考虑到Ds介子和其他多奇异强子类似，在接近强子态的时候发生冻结，而非奇异D介质会继续演化并从后续的强子态中获取到额外的椭圆流(v2)。因此通过测量Ds和非奇异D介子的椭圆流可以分开来自QGP和来自强子态的贡献，进而更好的定量描述有着温度依赖的粘滞系数和熵的比值(η/s).
　　本篇论文分析了STAR探测器在2014年RHIC运行中采集到的200 GeV金核金核对撞实验数据集，并使用了新安装的重味径迹探测器(HFT)。新的重味径迹探测器通过精确测量重味强子次级衰变顶点，和拓扑逻辑选择条件来重建重味强子并提升STAR对重味强子的测量能力。它提供了一个在RHIC能区重离子对撞实验上精确测量Ds介子的机会。本文通过衰变道:Ds+→φπ+→K+K-π+在金核金核200 GeV对撞实验中心快度区首次重建Ds介子，并测量它的不变产额，Ds和D0介子的产额比以及椭圆流，并使用了TMVA工具包来优化Ds介子的重建过程。通过和Ds介子一样的衰变道，重建并测量了D+介子的横动量谱，并验证了通过使用数据驱动的方法来计算重建效率。首次测量到的Ds/D0产额比显著的高于PYTHIA计算结果，表明在金核金核对撞中存在奇异增强效应。TAMU模型在考虑聚合机制之后，也预言了Ds/D0的产额比在低动量区间(pT＜4 GeV)存在增强，但是依然低于测量结果。在高动量区，实验结果显著高于TAMU模型计算。比较Ds/D0和轻强予以及奇异强子的产额比的时候，发现在低动量区间显著低于轻强予以及奇异强子的产额比，但在高动量区间，产额比却非常接近。这表明在QGP里面，粲夸克与奇异夸克和轻夸克行为非常类似，给出一个粲夸克在QGP里面达到热平衡的迹象，这个结论和D0椭圆流给出的结论相吻合。
　　本文还通过两种方法（直接法和x2测试法）首次在重离子对撞实验中估算B介子衰变电子的v2。估算过程是基于STAR最新的D0介子的不变产额谱和v2来估算粲夸克衰变电子的椭圆流，联合PHENIX实验组测量到的重味强子衰变电子的椭圆流以及B介子衰变电子比重，估算出B介子衰变电子椭圆流。通过直接方法估算出来的B介子衰变电子v2系统的比D介子衰变的v2小，并且在误差范围内保持为0。x2方法有基于一些假设，并使用α参数来表征B介子衰变电子椭圆流的幅度。通过x2测试表明，α值趋近于0。这两个办法都建议B介子衰变电子椭圆流会非常小，和O相符合，这说明底夸克非常重，系统温度还不足以使其热化并参与到集体运动当中。STAR实验组近期的测量的D0椭圆流表明粲夸克存在显著的椭圆流，ALICE最新的测量结果也表明在LHC能区，粲夸克存在显著的椭圆流。结合观测到椭圆流不为0的D0介子和椭圆流为0的B介子对进一步限制了系统的温度等特征提供了重要依据。

目录

声明

摘要

ABSTRACT

Table of Contents

List of Tables

List of Figures

Chapter 1 Introduction

1．1 Quantum chromodynamies

1．1．1 Asymptotic Freedom and Confinement

1．1．2 The QCD phase diagram

1．2 Hevay-Ion collisions

1．2．1 Space-time evolution

1．3 Open heavy flavor measurement

1．3．1 Heavy-quark production in pp collisions

1．3．3 Nuclear effects on heavy-quark production

1．4 Overview recent open heavy flavor measurement in nucleus-nucleus collisions

1．4．1 Inclusive measurement with leptons

1．4．2 Charm hadron measurements

1．5 Special motivations for Ds measurement

Chapter 2 Experimental Setup

2．1 Relativistic Heavy Ion Collider

2．2 STAR detector

2．2．1 Time Projection Chamber

2．2．2 Time Of Flight detector

2．2．3 Heavy Flavor Tracker

2．2．4 SSD calibration

Chapter 3 Measurements of Ds+ meson transverse momentum spectrum in Au+Au collisions at √SNN=200 GeV

3．1 Event Selection

3．1．1 Data sets

3．1．2 Trigger and event selection

3．2 Centrality

3．3 Particle Identification

3．3．1 Track Selection

3．3．2 Particle Identification Cuts

3．4 Ds+ meson reconstruction

3．5 Efficiency and acceptance correction

3．5．1 Single track efficiency

3．5．2 HFT matching ratio

3．5．3 Particle identification cut efficiency

3．5．4 Reconstruction efficiency for Ds+ and D+

3．6 Systematic error

3．7 Results and Discussion

3．7．1 Ds+ and D+ ρΤ spectra

3．7．2 Ds+／D0 ratio

3．7．3 Discussion

Chapter 4 Measurement Ds+ meson elliptic flow in Au+Au collisions at √SNN=200 GeV

4．1 TMVA optimization

4．1．1 Signal and Background

4．1．2 Pre-seleetion for TMVA

4．1．3 Optimization results

4．2 Elliptic flow measurement

4．2．1 Event plane reconstruction

4．2．2 Event plane resolution

4．2．3 Hadron v2

4．3 Ds+ meson v2

4．4 Systematic error

4．5 Results and Discussion

Chapter 5 Approach to bottom decay electron v2 in Au+Au collision at √SNN=200 GeV

5．1 Methodology

5．2 Spectra and v2 measurement

5．2．2 B meson ρΤ spectra

5．2．3 Non-Photonic Electron elliptic flow measurement in A+A collisions

5．2．4 Bottom decay electron ratio in A+A collisions

5．3 D meson decay to electron elliptic flow

5．4 B meson decay to electron elliptic flow

5．4．1 Method 1：Direct approach

5．4．2 Method 2：Chi-square test

5．5 Discussion and Summary

Chapter 6 Summary and Outlook

6．1 Summary

6．2 Future upgrade program

6．2．1 The STAR HFT+ upgrade

6．2．2 The ALICE ITS upgrade

References

ACKNOWLEDGMENTS

Presentations and Publications List