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《中国科学技术大学》 2017年
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RHIC-STAR 500 GeV质子-质子对撞中J/ψ的测量

杨钱  
【摘要】:J/ψ是粲夸克及其反粲夸克组成的束缚态,是最简单的量子色动力学QCD束缚态之一,是研究QCD的很好的探针。自1974年被发现以来,对其产生机制的实验和理论就从未中断过。J/ψ的产生过程通常可以被划分为两个子过程:粲夸克和反粲夸克对的产生以及夸克对演化成束缚态的过程。粲夸克对产生通常是具有较大四动量转移的硬过程,可以通过微扰量子色动力学(pQCD)计算。而粲夸克对演化到J/ψ的过程是一个非微扰的软过程,只能通过唯象模型来描述。目前在描述J/ψ产生的诸多模型中,比较成功的有色单态模型(CSM),色蒸发模型(CEM),以及色八重态模型(COM)。但目前没有任何一个模型能够同时描述所有的实验测量结果。在实验中观测到的J/ψ,不仅包括由粲夸克对演化产生的直接贡献,还包含从更高阶的粲偶素和B介子衰变而来的贡献,从而进一步加大了研究J/ψ产生机制的难度。此外,粲夸克对在强子对撞的产生并没有被完全理解。ALICE合作组最近测量了在质子-质子7TeV对撞能量下粲夸克和J/ψ的产生随带电粒子多重数的变化。该结果显示随着带电粒子多重数的增加,粲夸克和J/ψ产生相对于多重数有强于线性的增长,并且这种增长没有横动量依赖性。J/ψ和粲夸克的非线性增长在测量精度下高度一致预示该非线性增强可能来自于粲夸克的产生过程而非强子化过程。目前包含流体力学模型的事例产生器EPOS 3.099以及渗透模型都能够较好的描述ALICE的实验数据。但是造成该非线性增长的深层次物理机制并没有被完全理解。因此在新的对撞能量下测量J/ψ的产额以及其与带电多重数的关联,对于人们理解强子对撞中粲夸克对的产生机制及其演化过程有极大帮助。在本文中,我们首次精确测景了J/ψ 在RHIC-STAR质子质子500 GeV对撞中的产生截面及其与带电多重数的关联。本文通过J/ψ的双电子衰变道来重建J/ψ,采用的的数据是由电磁量能器阈触发得到的样本。电磁量能器触发的方式,极大的压低了背景事例,显著提高了J/ψ事例的积分亮度。得益于STAR优越的电子鉴别能力和极高的积分亮度,通过过修正触发效率,径迹重建效率等效率和接受度的影响,得到了J/ψ在4pT20 GeV/c横动量区间的产额的精确测量结果。该测量结果能够被次领头阶(NLO)的色八重态模型描述,虽然该色八重态模型并没有包含通过B粒子衰变来J/ψ的贡献。同时对于J/ψ的微分截面我们也做了xT标度的检测,在测量的动力学区间,J/ψ的微分截面遵循xT标度。我们同时也首次在RHIC STAR上测量了在横动量区间为4pT12 GeV/c的ψ(2S)与J//粒子衰变到双电子道的反应截面比,该比值为3.2士1%。该测量有助于剥离J/ψ中ψ(2S)衰变的贡献在J/ψ的产生随着带电多重数变化的测量中,我们观察到了与ALICE类似的非线性增强。在测量到的最高的带电多重数区间,J/ψ的产额相对于平均值有25倍的增强。不同与ALICE的观测结果,该非线性增强有显著的横动量依赖性:J/ψ横动量越高该非线性的增长就越强。该测量不能够被PYTHIA8模拟结果所描述:PYTHIA 8低估了在高带电粒子多重数时J/ψ粒子的产生。
【关键词】:
【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
  • ABSTRACT7-20
  • Chapter 1 Introduction20-26
  • 1.1 The subatomic world20-21
  • 1.2 Standard model21-22
  • 1.3 Quantum chromodynamics22-26
  • 1.3.1 Asymptotic freedom23-24
  • 1.3.2 Color confinement24-26
  • Chapter 2 J/ψ meson26-44
  • 2.1 Charmonium26-28
  • 2.2 J/ψ production mechanism28-35
  • 2.2.1 Color singlet model29-30
  • 2.2.2 Color evaporation model30-31
  • 2.2.3 Non-relativistic QCD approach31-33
  • 2.2.4 J/ψ polarization and reference frames33-35
  • 2.3 Experimental measurements35-39
  • 2.3.1 Feed down35-36
  • 2.3.2 Cross section measurements36-38
  • 2.3.3 Polarization measurements38-39
  • 2.4 J/ψ production at partonic level39-43
  • 2.5 Discussion and thesis scope43-44
  • Chapter 3 Experimental Setup44-58
  • 3.1 Relativistic Heavy Ion Collider44-46
  • 3.2 STAR Detector46-58
  • 3.2.1 Time Projection Chamber49-52
  • 3.2.2 Barrel Electromagnetic Calorimeter (BEMC)52-55
  • 3.2.3 Time of Flight55-58
  • Chapter 4 Data analysis58-106
  • 4.1 Analysis overview58-59
  • 4.2 J/ψ analysis59-78
  • 4.2.1 Dataset and Trigger59-60
  • 4.2.2 Event Selection60-61
  • 4.2.3 Track Selection61-66
  • 4.2.4 Electron candiates66
  • 4.2.5 High-p_T J/ψ reconstruction66-68
  • 4.2.6 Acceptance and Efficiency68-72
  • 4.2.7 Yield extraction and J/ψ detector efficiency72-75
  • 4.2.8 Systematic Uncertainty on J/ψ p_T spectrum measurement75-78
  • 4.3 ψ(2S) analysis78-80
  • 4.3.1 ψ(2S) analysis detials79-80
  • 4.3.2 Systematic Uncertainty on ψ(2S) to J/ψ yield ratio measurement80
  • 4.4 J/ψ production versus charged-particle multiplicity analysis80-106
  • 4.4.1 Vertex finding algorithm in p+p events at STAR80-85
  • 4.4.2 Charged-particle multiplicity measurement85-88
  • 4.4.3 J/ψ measurement88-90
  • 4.4.4 Efficiency and acceptance90-103
  • 4.4.5 Systematic Uncertainty on J/ψ production versus charged-particle multiplicity103-106
  • Chapter 5 Results and Discussion106-116
  • 5.1 High p_T J/ψ Spectra106-108
  • 5.2 Measurement of the relative yields of ψ(2S) to J/ψ mesons108-109
  • 5.3 J/ψ x_T scaling109-111
  • 5.4 J/ψ production as a function of charged-particle multiplicity111-114
  • 5.5 Summary114-116
  • Chapter 6 Outlook116-122
  • 6.1 Detector Upgrades116-119
  • 6.1.1 Inner Time Projection Chamber (iTPC) Upgrade116-118
  • 6.1.2 End-cap Time of Flight (eTOF) Upgrade118-119
  • 6.2 J/ψ relate physics119-122
  • 6.2.1 J/ψ production in single-transverse-polarized proton-proton collisions119-120
  • 6.2.2 J/ψ in the ultra peripheral proton-proton collision120-122
  • References122-128
  • ACKNOWLEDGMENTS128-130
  • Presentations and Publication List130-131

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