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《中国科学技术大学》 2017年
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RHIC-STAR 200 GeV金核-金核对撞实验中奇异粲介子的测量

周龙  
【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。同时重味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:八c/D,对于底夸克:∧b/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do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/Do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/Do的产额比在低动量区间(ρΤ4GeV)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/Do和轻强子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子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Do椭圆流给出的结论相吻合。本文还通过两种方法(直接法和χ2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Do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。χ2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0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Do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Do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。
【关键词】:重味夸克 奇异增强 夸克胶子等离子体 强子化 热化 聚合 椭圆流
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O572.33
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-21
  • Chapter 1 Introduction21-43
  • 1.1 Quantum chromodynamics21-25
  • 1.1.1 Asymptotic Freedom and Confinement21-23
  • 1.1.2 The QCD phase diagram23-25
  • 1.2 Hevay-Ion collisions25-30
  • 1.2.1 Space-time evolution25-30
  • 1.3 Open heavy flavor measurement30-33
  • 1.3.1 Heavy-quark production in pp collisions31
  • 1.3.2 Heavy-quark production in nucleus-nucleus collisions31-32
  • 1.3.3 Nuclear effects on heavy-quark production32-33
  • 1.4 Overview recent open heavy flavor measurement in nucleus-nucleus col-lisions33-40
  • 1.4.1 Inclusive measurement with leptons33-35
  • 1.4.2 Charm hadron measurements35-40
  • 1.5 Special motivations for D_s measurement40-43
  • Chapter 2 Experimental Setup43-57
  • 2.1 Relativistic Heavy Ion Collider43-44
  • 2.2 STAR detector44-57
  • 2.2.1 Time Projection Chamber45-47
  • 2.2.2 Time Of Flight detector47-48
  • 2.2.3 Heavy Flavor Tracker48-51
  • 2.2.4 SSD calibration51-57
  • Chapter 3 Measurements of D_s~+ meson transverse momentum spec-trum in Au+Au collisions at (?)=200 GeV57-81
  • 3.1 Event Selection57-58
  • 3.1.1 Data sets57
  • 3.1.2 Trigger and event selection57-58
  • 3.2 Centrality58-59
  • 3.3 Particle Identification59-61
  • 3.3.1 Track Selection59-60
  • 3.3.2 Particle Identification Cuts60-61
  • 3.4 D_s~+ meson reconstruction61-65
  • 3.5 Efficiency and acceptance correction65-71
  • 3.5.1 Single track efficiency67-68
  • 3.5.2 HFT matching ratio68-69
  • 3.5.3 Particle identification cut efficiency69-71
  • 3.5.4 Reconstruction efficiency for D_s~+ and D~+71
  • 3.6 Systematic error71-73
  • 3.7 Results and Discussion73-81
  • 3.7.1 D_s~+ and D~+ ρΤ spectra74
  • 3.7.2 D_s~+/D~0 ratio74-78
  • 3.7.3 Discussion78-81
  • Chapter 4 Measurement D_s~+ meson elliptic flow in Au+Au collisions at (?)=200 GeV81-93
  • 4.1 TMVA optimization81-86
  • 4.1.1 Signal and Background82-83
  • 4.1.2 Pre-selection for TMVA83-85
  • 4.1.3 Optimization results85-86
  • 4.2 Elliptic flow measurement86-89
  • 4.2.1 Event plane reconstruction86-88
  • 4.2.2 Event plane resolution88-89
  • 4.2.3 Hadron v_289
  • 4.3 D_s~+ meson v_289-91
  • 4.4 Systematic error91-92
  • 4.5 Results and Discussion92-93
  • Chapter 5 Approach to bottom decay electron v_2 in Au+Au collision at (?)=200 GeV93-107
  • 5.1 Methodology93-94
  • 5.2 Spectra and v_2 measurement94-98
  • 5.2.1 DO spectra and elliptic flow measurement in A+A collison94
  • 5.2.2 B meson ρΤ spectra94-96
  • 5.2.3 Non-Photonic Electron elliptic flow measurement in A+A collisions96
  • 5.2.4 Bottom decay electron ratio in A+A collisions96-98
  • 5.3 D meson decay to electron elliptic flow98-101
  • 5.4 B meson decay to electron elliptic flow101-104
  • 5.4.1 Method 1: Direct approach101
  • 5.4.2 Method 2: Chi-square test101-104
  • 5.5 Discussion and Summary104-107
  • Chapter 6 Summary and Outlook107-113
  • 6.1 Summary107-108
  • 6.2 Future upgrade program108-113
  • 6.2.1 The STAR HFT+ upgrade108-109
  • 6.2.2 The ALICE ITS upgrade109-113
  • References113-119
  • ACKNOWLEDGEMENTS119-121
  • Presentations and Publications List121-122

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