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《中国科学技术大学》 2017年
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200GeV金核金核对撞中粲介子以及粲重子的产生

谢冠男  
【摘要】:在相对论重离子碰撞中,质心能量高达每核子对200GeV的金核金核碰撞后会产生一种高温高密的物质。这种解禁闭的物质被称为夸克胶子等离子体(QGP),研究它的性质是重离子物理实验的主要目标之一。由于重味夸克的质量比较大,在RHIC能区其主要是通过在碰撞早期的硬散射过程而产生。重味夸克经历了整个系统的演化,因此可以提供非常独特的信息以用来研究这种高温高密的QGP性质。重味夸克强子的衰变长度通常都很短,实验上测量重味夸克一般通过两种途径。一种是通过半轻子衰变道测量(semi-leptonic channel),另一种是通过强子衰变道(hadronic channel),两种方法具有各自的优缺点。通过半轻子衰变道衰变而来的电子通常也被称为非光电子(NPE)。这种方法具有相对较大的衰变道分支比,同时电子相对容易被探测器触发。但是,半轻子衰变道这种方法依赖于复杂的理论解释去区分半轻子衰变是来自于粲夸克(c)衰变还是来自于底夸克(b)衰变。与此同时,由于衰变,实验上测量的半轻子动力学区间所对应的重味夸克母粒子通常是来自于非常宽的动力学区间,致使测量具有较大的不确定性。第二种方法是通过强子衰变道方法测量,强子衰变道可以完全重建粲夸克强子的动力学信息同时又不受到半轻子衰变道方法的各种弊端。但是通过这种方法的测量通常都具有十分大的挑战性,因为重离子碰撞中重建过程中来自于随机组合的背景非常大,同时强子衰变道的衰变分支比相对较小。因此想要实现这种强子衰变道的精确测量需要探测器提供非常高的精度,以达到几十微米量级的精度。STAR合作组2014年安装的重味径迹探测器(HFT)就是为了这个目的而专门建造的。重味夸克的核修正因子(RAA)一直被当做是研究部分子在介质中相互作用从而导致能量损失的重要观测量,这对研究能量量损失对于不同味夸克的依赖很重要,最终帮助我们理解介质的性质,例如介质中的输运系数,阻力系数以及扩散系数。低横动量区间重味夸克的椭圆流(v2)测量对于研究介质热化程度具有很大的意义。低横动量以及中间横动量区间的重味夸克可以通过夸克重组机制强子化从而形成强子,这将影响重味夸克强子的横动量产额谱以及v2。高横动量区间的D介子v2可以与RAA一起限制部分子在介质中能损对于路径长度的依赖。实验上粲夸克强子的精确测量不仅对粲夸克产生截面很重要,同时对于粲偶素的产额压制以及重组机制研究(coalescence)意义重大。例如,如果低横动量区间的粲偶素是通过粲夸克和反粲夸克的重组机制产生的,那么粲偶素会携带粲夸克最原始的集体流信息。而如果粲偶素不是通过这个机制产生的,那么粲偶素很可能不会携带粲夸克的原始集体流信息。RHIC能区,在重离子碰撞实验中观测到了重子相较于介子的产额增强(en-hancements in the baryon-to-meson ratio)。相较于偏心碰撞以及质子质子碰撞,这种产额增强发生在中心核子核子碰撞中,而且是在中间横动量区间(2pT6 GeV/c),这种产额增强既存在于轻夸克强子中,同时也存在于奇异夸克强子中。这种产额增强可以被强子化机制中的重组机制理论很好的描述。Ac作为质量最轻的粲夸克重子,其质量也最接近D0介子,同时它的寿命非常短,只有cτ~60μm。不同的理论模型对于Ac/D0的比值预测具有很大的区别,因为这些理论模型对于粲夸克在介质中的热化程度以及重组机制的具体应用都有很大的区别。对于包含轻味夸克以及奇异夸克的重子相较于介子产额增强在实验上都已观测到,因此对于含有重味夸克的Λc/D0的首次测量在实验上就显得意义重大。相较于粲夸克介子,粲夸克重子衰变到轻子的衰变分支比会小一些,因此如果实验上Λc/D0的产额有所增强,那么对于非光电子的测量会有一定的压制影响。同时,Λc和Ds强子的测量对于中间快度区的粲夸克产生截面也很重要。因此,本论文主要讨论在STAR合作组首次利用重味径迹探测器重建粲夸克强子的具体方法及结果,其中包含D0,D±以及Λc的测量。本论文会报告探测效率修正后的D0和D±横动量产额谱,其中D0是通过D0(D0)→K(?)π±的衰变道测量,而D±是通过D± →K(?)+π±π±衰变道测量。本论文还会报告在金核金核200GeV中心碰撞中D0介子的核修正因子。本论文还将报告重离子碰撞中Ac的首次测量。Λc是通过Ac+→p+K-π+衰变道测量。在金核金核200GeV碰撞中,中心度处于10-60%,横动量处于3pT6GeV/c范围内的Ac产额谱也将会展示。同时本论文还会报告重离子碰撞中的Λc/D0产额比值的首次测量,并且会与不同的理论计算作比较并作讨论。STAR合作组安装HFT后的首次D0产额谱测量以及核修正因子的测量,其测量精度相较于STAR已发表的实验结果有很大的提升。新的实验结果显示并确认重离子碰撞中,高横动量区间的D0产额相较于质子质子碰撞中具有很强的压制效应,这意味着粲夸克与介质之间存在着很强的相互作用,并且损失能量。实验结果显示D0介子RAA跟轻夸克强子的RAA具有很相似的趋势。重建效率修正后的D±产额谱也将会与D0产额谱作比较,考虑到粲夸克分裂的分支比影响,D0与D±介子的产额谱具有相似(相同)的形状,意味着这两者之间的产生机制是相似的。重离子碰撞实验中的首次Λc测量结果将会在本论文中展示,实验结果显示Λc/D0产额比值与轻夸克的重子介子产额比值相似,而且实验结果与包含粲夸克热化的夸克重组理论模型预测结果一致。结合本论文中的所有实验结果以及STAR最近发表的D0椭圆流结果,实验结果显示粲夸克与QGP之间存在着强烈的耦合作用,而且粲夸克在介质中有着很显著的能量损失。同时粲夸克存在着明显的集体流效应,预示着粲夸克可能在QGP物质中已达到热平衡。实验结果显示粲夸克的各种观测量与轻夸克以及奇异夸克之间并没有特别大的区别,这不禁让人产生一个问题,粲夸克作为QGP物质的探针是否合适,其重量是否足够大,在未来我们是否需要需要一些新的、更重的探针,例如底夸克?
【关键词】:夸克胶子等离子体 重味径迹探测器 Λ_c D~0 重子介子产额比 核修正因子 夸克重组模型
【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5-8
  • ABSTRACT8-27
  • Chapter 1 Introduction27-47
  • 1.1 Standard Model27
  • 1.2 Quantum Chromodynamics27-32
  • 1.2.1 Asymptotic Freedom and Confinement29-30
  • 1.2.2 Perturbative QCD (pQCD)30-31
  • 1.2.3 Chiral Symmetry31-32
  • 1.3 Quark Gluon Plasma and Phase Transition32-34
  • 1.4 Relativistic Heavy Ion Collisions34-42
  • 1.4.1 QGP evolution34-35
  • 1.4.2 Collectivity motion35-38
  • 1.4.3 Elliptic flow38-39
  • 1.4.4 Energy loss and jet quenching39-40
  • 1.4.5 Heavy flavor quarks as probes of sQGP40-42
  • 1.5 Open Heavy Flavor Reconstruction42-47
  • 1.5.1 Previous measurements43-47
  • Chapter 2 Experimental Setup47-57
  • 2.1 Relativistic Heavy Ion Collider47
  • 2.2 The STAR detector47-48
  • 2.3 Time Projection Chamber48-49
  • 2.4 Time of Flight detector49-51
  • 2.5 Heavy Flavor Tracker51-57
  • 2.5.1 HFT performance and status53-55
  • 2.5.2 HFT related physics55-57
  • Chapter 3 D~0 Analysis Details57-103
  • 3.1 Data Set57
  • 3.2 Trigger and Event Selection57-58
  • 3.3 Centrality Definition58-62
  • 3.4 D~0 Reconstruction62-75
  • 3.4.1 Daughter Selection64-65
  • 3.4.2 Topological Cut Optimization65-70
  • 3.4.3 Mixed Event Background70-72
  • 3.4.4 Correlated background 'bump' for D~0 meson72-75
  • 3.5 D~0 Efficiency and Acceptance Corrections75-88
  • 3.5.1 Single Track Efficiency76
  • 3.5.2 TPC Tracking efficiency76-77
  • 3.5.3 TOF Matching Efficiency77-78
  • 3.5.4 PID Cut Efficiency78-80
  • 3.5.5 Data-driven Fast Simulation for HFT and Topological Cut Efficiency80-88
  • 3.6 Validation Data-Driven Fast-Simulation with Full GEANT+Hijing Sim-ulation88-98
  • 3.6.1 Hijing Samples Performance88-89
  • 3.6.2 Validation Procedures89-98
  • 3.6.3 Validation with K_s Spectra98
  • 3.7 Systematic Uncertainties98-100
  • 3.8 Other Systematics for the Fast-Simulation100-103
  • 3.8.1 Secondary Track Contribution100-102
  • 3.8.2 Vertex Resolution Contribution102-103
  • Chapter 4 Λ_c Analysis Details103-127
  • 4.1 Data Set and Event Selections103
  • 4.2 Λ_c Reconstruction103-111
  • 4.2.1 Daughter Selection104-105
  • 4.2.2 Topological Cut Optimization105-107
  • 4.2.3 Λ_c Signals107-111
  • 4.3 Λ_c Efficiency and Acceptance Corrections111-116
  • 4.3.1 Single Track Efficiency112
  • 4.3.2 TPC Tracking efficiency112
  • 4.3.3 TOF Matching Efficiency112-114
  • 4.3.4 PID Cut Efficiency114
  • 4.3.5 Data-driven Fast Simulation for HFT and Topological Cut Efficiency114-116
  • 4.4 Validation Data-Driven Fast-Simulation with Full GEANT+Hijing Sim-ulation116-123
  • 4.4.1 Validation Procedures117-123
  • 4.5 Systematic Uncertainties123-124
  • 4.6 Other Systematics for the Fast-Simulation124-127
  • Chapter 5 D~± Analysis Details127-143
  • 5.1 Data Set and Event Selections127
  • 5.2 D~± Reconstruction127-130
  • 5.2.1 Daughter Selection127-128
  • 5.2.2 Topological Cut128-129
  • 5.2.3 D~± Signals129-130
  • 5.3 D~± Efficiency and Acceptance Corrections130-135
  • 5.3.1 Data-driven Fast Simulation for HFT and Topological Cut Efficiency132-135
  • 5.4 Validation Data-Driven Fast-Simulation with Full GEANT+Hijing Sim-ulation135-141
  • 5.4.1 Validation Procedures136-141
  • 5.5 Systematic Uncertainties141-142
  • 5.6 Other Systematics for the Fast-Simulation142-143
  • Chapter 6 Experimental Results and Discussions143-153
  • 6.1 The Total D~0 Spectra143-144
  • 6.2 Blast Wave (BW) Model Fit144-145
  • 6.3 D~0 Nuclear Modification Factor145-147
  • 6.4 D~± Spectra147
  • 6.5 Λ_c/D~0 Ratio and Comparisons to Models147-150
  • 6.6 Some Other's HFT Results (D~0 v_2)150-153
  • Chapter 7 Summary and Outlook153-157
  • 7.1 Summary153-154
  • 7.2 Outlook154-157
  • References157-161
  • Appendix A Appendix161-163
  • ACKNOWLEDGEMENTS163-165
  • Presentations and Publication List165-166

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