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《山东大学》 2009年
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QGP强子化过程中夸克组合机制普适性的研究

姚涛  
【摘要】: 上世纪七十年代以来,人们就从理论和实验两个方面开始了对高温高密等极端条件下核物质特性的研究。从那时起,高能重离子碰撞就成为现代物理学发展的前沿之一。自2000年BNL的相对论重离子对撞机(RHIC)运行以来,发表了一系列引人注目的实验结果。其中有很多出人意料的新发现,如中等pT区域重子产额的较大增加;核修正因子R_(CP)的重子、介子分组;强子椭圆流的价夸克数归一特性;大pT双强子背对背方位角关联的消失等等,它们强烈地暗示RHIC反应中部分子自由度的产生。最有说服力的是φ介子的R_(CP)和椭圆流行为:φ介子和质子有几乎相同的质量但不同的价夸克数,而实验发现φ介子的行为和其他轻介子类似,和质子明显不同。总之,RHIC的实验结果充分说明了部分子层次的热密物质已经产生,并且至少在中等pT区域,碎裂机制不再成立,而组合机制成为所谓夸克胶子等离子体(QGP)的主要强子化机制。那么,在高能核核反应中,组合机制在小pT、大pT区域是否仍然成立呢?它是不是一个普适的强子化机制呢?这是本论文探讨的一个重要问题。 强子化一直是QCD不能微扰计算而又无法回避的难题。目前除去格点QCD的处理方法之外,具有代表性且广泛应用的主要有碎裂模型和组合模型两类。在RHIC反应中,组合模型主要有Coalescence,Recombination和我们的Quark Combination Model(QCM)等。上世纪八十年代,谢去病等人从组合模型的基本图像出发,系统地提出了夸克产生律和夸克组合律,在此基础上,王群、司宗国等人又把它们推广到多部分子态的情况,用来处理多部分子态的强子化。并成功解释了e~+e~-湮灭和pp((?))反应中的一系列实验现象。夸克产生律给出了质心能量为S的q(?)色单态系统新产生的平均夸克对数,然后所有的夸克按照夸克组合律实现组合强子化的过程。夸克组合律是符合快度近关联要求,也同时符合QCD基本要求的必然结果,快度近关联的要求决定了组合过程中“介子优先于重子产生”的原则。另外,组合强子化图像还自然解释了重子产生中的“自旋抑制”以及单态重子产额高的实验现象。近来,邵凤兰等人又把QCM推广应用到RHIC反应中。首先把夸克产生律拓展到高能核核反应,可以得到不同RHIC能量、不同中心度时输入的总夸克数目。而夸克组合律在原来纵方向仍满足快度近关联的基础上,横方向加上横动量方向相同且P_T相等或相近的组合条件。由于QCM既满足幺正性又不需要知道不同强子的组合函数,所以它可以统一地描述各种SU(3)或SU(4)强子。这是QCM区别于其他组合模型的独特优点。 利用推广的QCM,我们首先研究了RHIC反应中强子的产额、比例及其横动量谱。确定了一些模型参数后,QCM给出了和实验符合很好的理论结果,自然地解释了中等pT区域重子增强的实验现象。在高能核核反应中,Hwa和Yang发现不同能量不同中心度的π~0的横动量谱存在一个统一的标度性行为,我们利用QCM验证了这种标度性行为。我们的研究还说明了,在解释RHIC反应的强子pT谱和多重数比例方面,和中等pT区域一样,组合机制在大、小pT范围都是普适的。 其次,利用QCM,我们研究了RHIC反应中强子的椭圆流及其质量结构。椭圆流v_2是相对论重离子碰撞反应的重要观测量之一,它携带了QGP的产生、演化,以及强子化过程的许多信息。RHIC实验的亮点之一就是发现了强子v_2的价夸克数标度性(QNS)。这是QGP组合强子化机制的主要实验证据之一。然而,后来更多的高精度测量显示,QNS在小pT区域并不严格成立,而是存在一个所谓的质量结构。那么,这是否意味着组合机制在小pT区域不适用呢?通过对诸如共振态衰变,夸克椭圆流的味道依赖性,夸克的不等pT组合等因素的系统研究,我们发现,组合机制恰好可以解释椭圆流的质量结构。其中衰变的贡献导致强子v_2在小pT区域产生了明显的结构,但还不足以完全解释实验数据。结构夸克的质量效应导致直生强子的v_2按照它们的味道成分发生劈裂,并引起末态强子v_2的更大劈裂,使得除了π~±以外其他强子的v_2都较好的符合了实验数据。不等pT组合也会导致强子v_2对QNS的偏离,这种可正可负的偏离依赖于夸克椭圆流的形式。我们还发现,这三个因素都破坏QNS,前两个因素主要表现在小pT区域,而不等pT组合的影响更明显地表现在中等pT区域。在同时考虑这三个因素的影响以后,QCM定量地解释了小pT区域的包括π介子在内的强子椭圆流的质量结构。并给出了可用来检验不等pT组合贡献大小的预言。由此可见,质量结构和组合机制并不矛盾,而且小pT区域和中等pT区域一样,组合机制都是适用的。 利用QCM,我们还研究了RHIC反应中不同能量不同中心度的带电粒子的(赝)快度密度分布。使用朗道相对论流体力学来描述部分子物质的演化,我们得到了强子化前结构夸克的高斯型快度分布。并由此得到了130,200 GeV能量下各中心度的dN_(ch)/dη对η的依赖关系,计算结果和数据符合得很好。我们又进一步研究了带电粒子的(赝)快度分布对能量的依赖。发现η分布的形状主要决定于能量和声速,而夸克的快度分布范围仅对强子的前后快度区有影响。我们还发现,除去19.6 GeV以外,62.4、130和200 GeV能量下部分子物质的声速是相同的。这说明至少碰撞能量从62.4到200 GeV,QGP具有某种统一的属性,而19.6 GeV能量时产生的热密物质却不具有这种属性。 最后,我们把QCM进一步扩展到破缺的SU(4)味道对称性,并利用它定量研究了高能重离子碰撞中粲强子的产生。在高能重离子反应中,粲强子产生一直是理论和实验关注的焦点之一。PHENIX和STAR合作组已经发表了许多有关的数据,他们都观察到粲夸克产生截面σ_(c(?))的碰撞次数标度性规律。但是,给出的平均每次核子碰撞的粲夸克产生截面σ_(c(?))~(NN)却有很大的差别。在数据的分析过程中,他们用到两个重要的比例来得出σ_(c(?))~(NN),一个是PHENIX用到的c(?)到非光生电子的总衰变分支比R_(e/c(?)),另一个是STAR用到的c(?)到正反D~0介子的总衰变分支比R_(D~0/c(?))。这两个比例和c(?)到非光生‘muon'的总衰变分支比R_(μ/c(?))都与不同粲强子之间的比例即‘粲强子比例'有关。 高能核核反应中粲夸克产生截面是c物理研究的重要问题之一。精确的σ_(c(?))~(NN)测量依赖于R_(e/c(?))(R_(μ/c(?))和R_(D~0/c(?))的精确值,所以确定核核反应中粲强子比例以及上述三个总衰变分支比也是c物理研究的一个重要问题。核核反应中重子增强和奇异增强必然导致粲强子比例以及三个总衰变分支比与e~+e~-湮灭或pp((?))反应的不同。然而,目前实验上直接测量这些比例是很困难的,而且也不能通过模型无关的理论计算得到。RHIC实验中用到的这两个关键比例现在分别取值于e~+e~-湮灭和pp((?))反应。那么,人们不仅要问:Au+Au反应中实际的R_(e/c(?)),R_(D~0/c(?))比例对测量的σ_(c(?))修正有多大?这些修正对两个合作组测量的截面的差别有什么影响? 我们利用QCM得到了200 GeV能量下粲强子的重子/介子比(∧_c+(?)c)/(D~0+D~0),(∧_c+(?)c)/(D~++D~-)和(∧_c+(?)c)/(D_s~++D_s~-)对pT的依赖关系,发现中等pT区域的重子产额明显增强,这一特点和p/π比非常相似。和同样Au+Au碰撞的p/π~+比的数据比较,粲强子的重子/介子比的峰变宽了,而且向大pT方向发生了移动。这主要是因为c(?)的pT谱远硬于u,d夸克的pT谱。文中也讨论了粲强子的核修正因子R_(AA)按照奇异成分排序的问题,指出这个效应是证明粲强子组合强子化的一个强有力信号。我们还计算了200 GeV能量下中心快度区‘单c强子'(single-charm hadrons)的多重数和它们的比例。因为有粲重子增强和奇异成分增强两种效应,核核反应中的粲强子比例及总分支比R_(e/c(?))和R_(μ/c(?)),明显地与e~+e~-湮灭和pp((?))反应不同。采用PDG最新的衰变分支比的数据,核核反应中的这些比例使得PHENIX测量的σ_(c(?))~(NN)的中心值会增加~17%。然而,这一修正并不足以抵消STAR和PHENIX测量的σ_(c(?))~(NN)的差别。考虑到某些参数的不确定性,我们系统研究了这些比例对各种参数的依赖性。并进一步研究了同样能量的Au+Au碰撞中,它们的中心度依赖性,发现在σ_(c(?))的碰撞次数标度性规律成立且有关参数与中心度无关的条件下,单c强子的比例和三个关键比例既不依赖于中心度也不依赖于σ_(c(?)°)假定组合强子化机制在相对论核核反应中是普适的,我们又研究了这些比例对能量的依赖性,发现它们主要依赖于奇异抑制因子和净重子数而不依赖于σ_(c(?),)并给出了RHIC能量62.4,130,200 GeV和5.5TeV LHC能量下粲强子比例的预言。这是第一次在组合模型框架下,全面地给出RHIC和LHC能量的粲强子比例和三个总衰变分支比的预言。这些预言对精确测定σ_(c(?))~(NN)是重要的,而且粲强子的组合强子化机制也可以在RHIC和LHC上得到检验。 总之,利用QCM,我们研究了RHIC反应的一些实验现象,理论结果和数据符合的都比较好。同时,我们也给出了QCM在某些方面的理论预言。值得关注的是,我们的工作证明了不仅在中等pT区域,而且在小pT和大pT区域,组合机制都可以很好地解释本文研究的实验现象。这有力地支持了夸克组合是一个普适的强子化机制的推断。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O572.2

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