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LHC/ALICE 7 TeV质子—质子碰撞中D~0介子产生截面的研究

袁显宝  
【摘要】:在人们对物质最基本结构的好奇心驱使下,从1808年道尔顿建立原子论开始科学家们不断地向微观世界进行探索。科学家们发现原子是由原子核与核外电子构成。直到电子深度非弹实验,科学家们认识到原子核仍然有基本结构,那就是夸克和胶子。到目前为止没有发现电子存在更小的结构单元。粒子物理的标准模型是目前描述的物质的基本结构以及它们之间相互作用力的最好的工具,它成功地预言了多种粒子的存在,并在实验上得到验证。该理论的基本成分是三种类型的粒子:轻子,夸克和四种传播相互作用力的规范玻色子。其中六种轻子和六种夸克(以及每种轻子和夸克对应的反轻子和反夸克)分别被分成三代。标准模型按照作用力的性质把物质间的相互作用分为电磁,弱和强相互作用。电弱相互作用是由杨-米尔斯规范理论描述。量子色动力学Quantum Chromodynamics(QCD)则是描述强相互作用的理论,从根本上描述了夸克和胶子间的相互作用。 根据量子色动力学(QCD),在极高的温度或高密度情况下,将发生从强子相到夸克胶子等离子体Quark Gluon Plasma(QGP)相的相变。由于夸克胶子之间的强相互作用,自由的夸克胶子只有在解禁闭的QGP中存在。在自然界中,QGP可能在宇宙大爆炸后的最初几微秒内(高温)以及中子星的中心(高重子数密度)内存在。目前,高能重离子碰撞提供了唯一可以在实验室可控环境下研究解禁闭的QGP性质的舞台。按照理论和实验的结果预计在温度大约175兆电子伏或者0.7 GeV/fm3的能量密度下将会发生从强子相到夸克胶子等离子体相的相变。 自从欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器Super Proton Synchrotron(SPS)1990年首次尝试利用铅-铅碰撞((?)=17.6GeV)寻找QGP以来。接着美国的布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC)于本世纪初也进行了金-金碰撞(((?)=200GeV).然而,到目前为止仅仅找到了新的物质状态QGP存在的几个间接证据,例如:集体流,喷注淬火和J/ψ压低,等等。Large Hadron Collider(LHC)/A Largelon Collider Experiment(ALICE)是专门研究核-核碰撞产生的高温高密物质特性的探测器。从2010年LHC/ALICE已经开始运行重离子碰撞(铅-铅)。其主要目标是研究在极端能量密度情况下形成的夸克胶子等离子体特性并检测QCD理论。 该论文在详细分析过去的高能重离子碰撞实验结果和理论的基础上,主要研究了LHC/ALICE探测器的径迹碰撞参数的分辨率,并用LHC/ALICE探测器测量了D0的产生截面。按照微扰QCD理论,重夸克产生的时间大约是1/mQ。因此,重夸克的产生不受介质效应的影响,同时由于重夸克的衰变长度较大,所以重夸克经历了整个夸克-胶子等离子体的热化阶段。在重夸克穿越介质的过程中,与介质发生相互作用并损失能量。通过对与重夸克相关的观测量的测量可以帮助更好地了解系统演化的动力学信息。在论文的第一章和第二章主要讨论了相对论重离子碰撞的理论和实验结果,特别是重味物理。第三章中主要介绍了LHC/ALICE探测器,重点介绍了ITS,TPC和TOF结构及功能。在最后两章介绍了该论文的主要工作:●径迹碰撞参数也就是粒子径迹到初始碰撞顶点的最近距离,是从背景中挑选物理信号一个关键量,特别是被挑选的物理信号的次级顶点离碰撞初级顶点非常近的情况。例如,挑选D0(cτ≌123μm),D+(cτ≌315μm)和B介子(cτ~500μm)等。对于这样物理信号的筛选至少要找到一条或多条衰变产物的径迹(例如:D0→k-π+至少需要确定两个子粒子,B→e±+X至少要确定电子的径迹),这些子径迹相对于碰撞的初级顶点有所偏移。在4.1节中,在介绍粒子径迹碰撞参数的基础上,讨论了如何选择拟合函数和拟合的范围以及径迹碰撞参数分辨率的测量步骤。由于模态探测的粒子有两个主要来源。初始碰撞产生的粒子的径迹碰撞参数分布满足高斯分布,而粒子衰变产生的粒子以及粒子与速流管和探测器中物质相互作用产生的粒子,其径迹碰撞参数满足指数分布。因此,选择高斯加指数函数作为分析工具,并将高斯分布的宽度。定义为径迹碰撞参数的分辨率。4.2节仔细研究了影响碰撞参数分辨率的因素:初始碰撞顶点的分辨率,碰撞初始顶点的分布,多重散射以及粒子种类(利用ITS, TPC和TOF探测器对粒子进行鉴别)。根据粒子径迹碰撞参数的定义,可以把径迹碰撞参数的分辨率是初级顶点分辨率和径迹分辨率的卷积。与初级顶点和径迹有关的因素都会影响到径迹碰撞参数分辨率。对于初级顶点主要考虑"diamond constraint"和当前研究的径迹对碰撞初级顶点的影响。由于小横动量的粒子在穿越速流管和探测器装置的过程中,粒子会发生大量的小角散射(库仑散射),并损失能量。因此,径迹碰撞参数分辨率可以看作径迹探测器空间分辨率和多重散射两部分贡献的总和,并在此基础上给出径迹碰撞参数分辨率随sinθ分布的函数。ALICE的中心桶部探测器(ITS,TPC和TOF)能够很好地鉴别粒子的种类,通过比较ESDPID(利用探测器鉴别粒子的种类)和PDGPID(利用模拟的信息得到粒子的种类),在误差范围内,两种结果符合的很好。当低横动量的粒子在穿越速流管探测器时比高横动量的粒子经历更多的多重散射,并且重建过程中低横动量的粒子的分辨率要低于高横动量的粒子分辨率,不同种类粒子的径迹碰撞参数分辨率在低横动量区域的值要高于高横动量区域的值。同时,径迹碰撞参数分辨率在低横动量区域有明显的粒子质量的顺序性(从小到大的顺序依次是:π,k和质子)。这是由于在相同的横动量情况下,由于质量大的粒子具有较小的速度,要经历更多的小角散射导致其碰撞参数分辨率要大于质量小的粒子。最后,考虑了不同的选择标准(例如磁场和粒子的电荷)对径迹碰撞参数分辨率以及均值的影响。由于ALICE中心桶部探测器放置在一个大的螺旋管磁场中(根据不同的运行要求可以提供正负0.5的磁场),同时产生的粒子所带的电荷也有正负区别,这些因素也会影响径迹碰撞参数。我们研究发现不同磁场和粒子所带电荷对径迹碰撞参数的影响,在误差范围内可以忽略。 ·ALICE探测器基本目标就是研究在LHC能区核-核碰撞产生强相互作用的QGP的特性。高能重离子碰撞中开粲和开美的测量不仅能够帮助很好研究重夸克产生及其在QGP中的输运机制,而且可以帮助更深入认识在低横动量区域强子化机制。在中心快度区域通过D介子衰变道测量开粲的产生截面是ALICE探测器的重要任务之一。对质子—质子碰撞中开粲产生截面的测量不仅为研究重离子碰撞中介质特性的提供参考,同时也是在更高的碰撞能区检测微扰QCD。在第五章中,在详细介绍分析步骤的基础上,通过D0→k-π+衰变道对D0进行重建,并利用不变质量分析提取信号最终测量D0产生截面。首先,在分析以往结果基础上详细讨论了分析步骤,详见5.1。由于在碰撞的过程中,产生的信号要远远小于背景。在LHC能区质子—质子碰撞中,如果把所有可能的πk对看作是候选的D0,则信噪比将是10-4。因此,实际分析时采取预选的措施排除背景显的相当重要。在分析的过程中通常采用表征粒子运动学和几何特性的量进行背景排除。除了单个径迹变量和πk粒子对变量,粒子鉴别信息(特别是带电的k)也用于分析时提高排除背景的效率,参见5.2。在5.3节中主要讨论了测量D0产额的方法:拟合不变质量谱的方法。由于D0的产生来自于两个方面。一部分来自碰撞直接产生的D0,具有高斯型的不变质量分布。另一部分来自于衰变产生的间接D0,具有指数分布。因此利用高斯分布加指数分布作为工具拟合总的D0不变质量分布得到直接产生的D0。由于在径迹重建,顶点重建,粒子鉴别,为了提高信噪比采用截断和由于探测器的接收度的限制等原因,在分析过程中会损失一些有用的信号。所以要对前面测量D0产额进行修正。在5.4中主要讨论了计算效率修正因子的计算步骤和方法。由于在LHC能区的碰撞,由c→D0过程对D0的产额贡献大约15%。在总的D0产额中必须扣除这一部分的贡献。在实际的分析过程中,最好的方法是利用衰变产生的次级D0的碰撞参数不同于直接D0分布形状,然而这种方法需要很高的统计量。在我们的分析过程中,为了避免高统计量的要求,采用基于微扰QCD计算出在LHC能区直接D0产额(或者B介子的产额),从而完成对总的直接产生的D。修正,详见5.5。在5.6中,用修正后的D0产额除以D0→k-π+分支比(仅有3.8%的D0通过D0→k-π+衰变道衰变)和总的亮度LINT从而得到D0的产生截面。在5.7节,对测量结果进行了误差分析(统计误差和系统误差)。最后,将实验上测量的结果和两个理论模型(FONLL和GM-VFNS)计算的结果进行了比较。在误差范围内,测量的D0产生截面和理论计算符合的很好。


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