收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

LHC/ALICE实验向前区重夸克物理的研究

张晓明  
【摘要】:宇宙中的可见物质是由那些基本粒子组成的?这些基本粒子间的相互作用又有那些特性?一直是人类不断探寻自然界奥秘的过程中试图解决的最基本也是最关键的问题。 标准模型告诉我们,宇宙中所有的可见物质都是由夸克和轻子构成的,不同种类的玻色子(如光子,胶子等)用以传播它们之间不同种类的相互作用。夸克和轻子被统称为基本粒子。传播相互作用的玻色子被称为规范粒子。通过Higgs机制,Yang-Mils场中的规范粒子通过吃掉由真空对称性破缺而产生的Goldstone粒子而获得质量。与此同时,规范粒子和基本粒子间的Yukawa耦合使得基本粒子也获得了其在物理真空中的质量(由于对不同基本粒子质量的测量和定义方法不同,其在物理真空中质量的名称也不同,对于夸克,在不太严格的条件下,其在物理真空中的质量可以笼统的称为流质量)。基于标准模型,普通的强子(如构成原子核的质子和中子)都是由夸克组成的,胶子用以传播夸克间的强相互作用。夸克和胶子又被统称为部份子。体现强相互作用的荷被称为色荷。类比于描述电磁相互作用的量子电动力学,用以描述强相互作用的理论被称为量子色动力学(另外,弱相互作用中的荷被称为味荷,早期也存在量子味动力学用以描述弱相互作用,但后来被并入电弱统一理论中)。 众所周知,在量子电动力学中,由于涨落而产生的极化,物理真空可被视为电介质。而在量子色动力学(QCD)中,由于胶子所存在的自相互作用,物理真空中同时存在着色荷的极化和反极化,在通常条件下,其总体效应使得物理真空等价于色导体。与电导体内部不存在净电荷向相对应,在可被视为色导体的物理真空中也不存在自由的色荷。部份子(夸克和胶子)被“囚禁”在强子之中。这一特性被称为色禁闭或夸克“囚禁”。同时,色禁闭也解释了为何到目前为止,在通常条件下从未明确观测到自由的部份子。从另一角度,可以做如下推想:当空间中的色荷距离越来越近,无论是色极化或色反极化都将越来越弱,而在物理真空中出现自由的部份子。也就是说,不同于电磁相互作用和弱相互作用,强相互作用是随着部份子间的距离减小而减弱的,而当部份子间的距离增大时强相互作用会增强。强相互作用的这一特性已在理论上被QCD耦合常数对虚度的依赖性的研究所证实,而且随后的大量实验观测也完全符合并肯定了这一理论结论。不仅如此,格点量子色动力学(IQCD)进一步预言了在极端高温和/或高重子数密度的条件下,将发生由普通强子物质相到退禁闭的夸克—胶子—等离子体(QGP)相的强相互作用相变。而且,基于IQCD的计算,在低重子数密度的条件下,退禁闭相变还会伴随着手征对称性的恢复,及在生成的QGP内,微扰真空会向物理真空回归,而夸克在强子内的组份质量也会回归到其在物理真空内的流质量。目前,退禁闭的QGP物质被认为存在于大爆炸后约1μs的早期宇宙,而且现在还存在于中子星内部。基于上述结论,对QGP特性的研究,不仅对掌握强相互作用的性质以及宇宙中可见物质的质量产生机制起到非常关键的作用,而且还有助于了解早期宇宙及其演化。因此,对退禁闭相变过程和QGP物质特性的研究已成为当前高能物理领域最重要的前沿课题。 高能重离子碰撞是在实验室条件下实现退禁闭相变的唯一途径。在碰撞过程中,首先,两个入射原子核被加速到接近于光速,然后进行碰撞并把它们的绝大部分能量沉积在碰撞区域,使得碰撞区域内具有超高的能量密度而达到发生退禁闭相变的条件,从而在碰撞区域内产生自由的夸克和胶子,及QGP物质。随着QGP系统的膨胀,其内部温度也迅速降低,而使整个体系回到强子相(强子气)然后形成末态所能观测到的各种粒子。在过去的30年中,一系列重离子加速器如SPS, AGS和RHIC先后被建造,并获得了丰富的实验证据表明QGP物质相的存在。其中具有代表性的有: 1. SPS能区, a.奇异粒子产额的增强以及低质量共振态分布的修正,被解释为手征对称性在退禁闭物质相中的恢复而使得奇异夸克在QGP物质中产生阈值的降低; b.J/Ψ粒子产额的压低,被认为是粲夸克偶素(cc)在QGP物质里的色Debye屏蔽势的作用下熔解而导致的; 2RHIC能区, a.光子产额的增高,体现了退禁闭的QGP物质的热辐射: b.椭圆流对组份夸克数的标度性,揭示了部份子在QGP内的热化自由度; c.高横动量强子谱的压低以及背对背喷注关联的减弱,反映了高横动量部份子在穿越QGP物质时,与QGP介质发生强相互作用而引起的能量损失。 以上结果充分表明了QGP物质的存在,对于当前的研究而言,所面临的问题便是对其特性进行系统而深入的研究。 基于此目的,位于欧洲核子研究中心(CERN)目前世界上最大的大型强子对撞机(LHC)于2009年底正式运行,并在2010年底首次获取了两体质心能量为(?)i=2.76TeV的铅—铅碰撞数据。在LHC能区,由于其高出在RHIC能区(两体质心能为(?)=200GeV的金—金碰撞)约15-30倍的两体碰撞质心能和更重的铅核体系,所形成的QGP介质较之RHIC能区有更长的存在时间和更大的形成体积,为全面而深入的探索QGP物质的特性提供了独特的条件和有利的保障。ALICE,作为LHC上四大实验之一,专门致力与高能重离子碰撞物理的研究,及QGP物质特性的探索。 在众多反映QGP特性的末态探针中,重夸克(粲夸克和美夸克)已其独特的特性而异常重要。绝大部分的重夸克产生与高能重离子碰撞初期的硬散射过程,由于其质量效应,它具有较之其它轻部份子更短的形成时间和更硬的碎裂函数。这一特性导致:一方面,重夸克早与QGP物质而形成,并穿越随后形成的QGP物质体系,纪录了QGP系统各演化阶段的信息;另一方面,其运动学分布又能很好的被其末态强子所反映。基于重夸克的优越特性和在超高能的LHC能区丰富的重夸克产额,使得重夸克成为揭示QGP物质特性的独特探针。 首先,重夸克在穿越QGP体系时与其内部部份子相互作用而导致的能量损失体现了强相互作用的特性。根据标准模型的对称性,理论上预言,胶子的辐射能量损失大于夸克。而较之轻夸克,重夸的胶子辐射会在与其夸克质量相关的锥角内压低,从而导致重夸克辐射能量损失比轻夸克小,这一效应被称为死角效应。核修正因子RAA是反映部份子能量损失的实验观测量。基于重夸克辐射能量损失的死角效应,重味强子的RAA因大于轻强子。但这一现象并未在RHIC能区上被观测到。因此,在LHC能区对重夸克末态产物RAA的测量有利于深入了解部份子在QGP介质内的相互作用特性。更进一步,在LHC能区由于丰富的重夸克产额,提供了新的实验观测量,重轻比,即开粲或开美强子的凡A与轻强子的凡A之比。在LHC能区,轻强子主要源于胶子的碎裂,而粲夸克的质量(me≈1.5MeV)较之其能量可以忽略而表现出轻夸克的特性,于此同时质量较大的美夸克(N。b≈4.5MeV)仍保持其重夸克的性质。根据以上特性,开粲强子与轻强子之间的重轻比体现了部份子能量损失对色荷的依赖性,而开美强子与轻强子间的重轻比进一步反映了部份子能量损失对其质量的依赖关系。根据新近的理论研究,对开美强子和开粲强子间RAA之比的测量不仅能直接的反映夸克能量损失对其质量的依赖还可用以区分描述QGP物质的不同理论,是标定QGP属性的关键观测量。 另一方面,相变过程的特性,往往体现于其末态产物的集体行为。因此,重夸克末态产物的集体流也是实验中非常重要的观测量。在低横动量区间,重夸克末态产物的集体流揭示了重夸克在QGP介质内的热化自由度;在高横动量区间,这一观测量体现的是重夸克能量损失对穿越路径长度的依赖性。更重要的是,表征QGP介质的关键量,粘滞系数与熵的比值(η/s),可通过结合重夸克的RAA和集体流的实验测量结果而得到。 此外,重夸克的重要性不仅仅体现在重离子碰撞中,在核子—核(pA)和核子—核子(pp)碰撞中,对重夸克末态产物的测量也蕴涵着丰富的物理。在pA碰撞中,它是了解各种冷核效应(核遮蔽,内禀横动量增宽以及胶子饱和等)的有利工具;特别是在实验的向前快度区间,它能使对冷核效应的测量达到及小的Bjorken分数区间(x~10-4)。在pp碰撞中,对重夸克末态产物的测量不仅为pA碰撞和重离子碰撞提供了归一化基准,同时,也是检测微扰量子色动力学(pQCD)的有利工具。在pQCD的计算中,重夸克的质量可有效抑制微扰级数的红外发散,从而提高了pQCD对重夸克产生截面预言的准确性,这使通过比较重夸克末态产物产生截面的实验测量结果和理论预言成为验证pQCD理论的重要手段。 本工作基于LHC/ALICE实验的向前区μ子谱仪,通过半μ子衰变道分别研究铅—铅碰撞和质子—质子碰撞中重夸克的产生。在第一章中,将对QGP相变和高能重离子物理做全面的介绍,并讨论已有的典型实验结果以及LHC能区优越的实验条件和ALICE实验上已获得的重要结果。对重夸克在核子—核子,核子—核以及重离子碰撞中的产生机制和对应物理将在第二章中做系统介绍,同时讨论ALICE实验上已获得的通过半电子衰变道和强子衰变道对重夸克产物测量的结果。在正式讨论基于本论文的工作之前,作为工作基础,在第三章和第四章里,将对ALICE探测器特别是向前区μ子谱仪和ALICE实验数据获取和分析的在线和离线环境进行介绍。同时将着重讨论在本工作中我们针对重夸克半μ子道测量所开发的数据分析和校正的软件框架。第五章总结了我们在模拟条件下通过单,双μ子道测量重味强子产生截面的可行性研究结果,在研究中,我们成功的重建出了模拟所输入的重味强子谱。然后,第六章道第九章将对我们数据分析的过程和结果做着重讨论。第六章,将以质心系能量(?)=900GeV的质子—质子碰撞数据为例,对实验中ALICE向前区μ子谱仪的性能,实验数据中的背景和对数据的筛选做全面讨论。在质心系能量(?)=7TeV的质子—质子碰撞中对向前区重夸衰变μ子的产生截面的测量方案及其结果是第七章的主要论述内容。在误差范围内,我们的测量结果很好的符合了次领头阶的pQCD计算的预言,这一结果是首次在此新能区下对pQCD理论预言的重夸克产生截面的检验。此外,在这一章的最后,我们还讨论了新的背景减除方案和如何对开粲和开美强子衰变μ子组份进行分离的思路。在第八章中,我们首先讨论了铅一铅碰撞数据的基本特性,重点介绍了数据中心度选择的各种方法;随后,运用第七章中的方法,我们给出了在质心系能量(?)=2.76TeV的质子—质子碰撞中向前区重夸克衰变μ子的产生截面的测量结果,此结果也在误差范围内很好的符合了次领头阶pQCD的预言,它将作为我们在此两体碰撞质心能下计算铅—铅碰撞中重夸克衰变μ子的和修正因子的归一化基准;在两体质心能为(?)=2.76TeV的铅—铅碰撞中对重夸克衰变μ子核修正因子的计算方案和结果的讨论是这一章重点内容,最后,我们的结果首次反映出重夸克在向前区的压低与中心快度区间相似,这一结论的重要性在于它并不符合之前理论的预言(在向前区由于其部份子密度较之中心区要低,高横动量区间的重夸克压低效应较之中心区要弱),这为理论研究提供了新的方向,也为深入揭示部份子在QGP介质内的能量损失机制给出了新的线索。第九章是关于遍举μ子椭圆流的测量,在全面介绍和比较了各种集体流的分析方法之后,我们逐一运用这些方法于数据分析之中,并对它们做出了检验;在误差范围内,不同的分析方法和参考粒子给出了相同结果,而且符合分析的预期;这一工作为我们进一步测量重夸克衰变μ子的集体流和通过结合核修正因子和集体流的测量结果深入揭示QGP特性打下了坚实的基础。论文的最后是对我们以上所有相关工作的总结和展望。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 左亚兵;包营营;仲偲晋;郭禹辰;;重夸克展开至次领头阶D→K~*lν衰变的研究[J];辽宁师范大学学报(自然科学版);2014年01期
2 朱传界;重夸克物理[J];物理;1987年12期
3 孙耀德;毕品镇;;胶子有效质量对重夸克势的影响[J];高能物理与核物理;1989年05期
4 周代翠;向文昌;毛亚显;;重夸克在密度介质中的能量损失(英文)[J];华中师范大学学报(自然科学版);2005年04期
5 周勋秀,黄庆,焦善庆;t、b夸克质量的动力学参数味修正[J];广西科学;2003年04期
6 童胜平,丁亦兵,郭新恒,金宏英,李学潜,沈彭年,张瑞;带有两个重夸克的重子谱计算中几个困难问题的研究(英文)[J];高能物理与核物理;2000年07期
7 王家珠,毕品镇,殷鹏程;重夸克对强子的椭球袋模型[J];物理学报;1981年12期
8 吴丹迪;黄峥;;强CP问题的避风港——重夸克[J];高能物理与核物理;1991年05期
9 徐晓梅,李云德;LHCγ-Pb碰撞过程中的J/ψ及Υ产生(英文)[J];云南大学学报(自然科学版);1998年04期
10 董宇兵;重夸克等效理论和重味强子体系质量谱的研究[J];高能物理与核物理;1995年08期
11 陈兵;张爱林;;重-轻强子的质量谱和强衰变研究[J];安阳师范学院学报;2012年05期
12 左亚兵;何建华;田园园;;重夸克展开至次领头阶D→Klν衰变的研究[J];辽宁师范大学学报(自然科学版);2012年04期
13 刘家福;介子跃迁形状因子的重夸克极限和1/m_Q修正[J];装甲兵工程学院学报;1998年03期
14 周清,张菁,陈洪;在Dick夸克势模型中重夸克 -反夸克系统能谱的计算(英文)[J];西南师范大学学报(自然科学版);2002年05期
15 周书华;Raúl A.Brice?o;;双粲粒子[J];物理;2017年11期
16 刘希明,王群,谢去病;重夸克与轻夸克强子事例多重数差别[J];高能物理与核物理;1998年08期
17 杨学恒,刘之郕;重夸克偶索的结构与能谱[J];重庆大学学报(自然科学版);1986年04期
18 刘杰;毛亚显;向文昌;周代翠;;热密QCD介质中部分子能量损失[J];科学通报;2006年01期
19 左亚兵;杨宇;何建华;;重夸克极限下激发态B介子光锥分布振幅的计算[J];辽宁师范大学学报(自然科学版);2012年02期
20 徐晓梅,李云德;HERA分解光生J/ψ(英文)[J];云南大学学报(自然科学版);1998年04期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 焦善庆;郭江;;重夸克动力学参数的味修正和质量谱[A];数学·物理·力学·高新技术研究进展(一九九六·第六期)——中国数学力学物理学高新技术交叉研究会第6届学术研讨会论文集[C];1996年
2 许晓明;;预言RHIC和LHC产生的J/ψ、xCJ和ψ′[A];第十一届全国核物理大会论文集[C];2000年
3 陈洪;林辛未;郑仁蓉;;SU(2)格点规范重夸克势的解析研究[A];第九届全国核物理大会论文摘要汇编[C];1994年
4 ;“B物理和CP破坏研究”研讨会日程[A];B Physics and CP Violation--Proceedings of CCAST(World Laboratory) Workshop[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 张晓明;LHC/ALICE实验向前区重夸克物理的研究[D];华中师范大学;2012年
2 李双;LHC/ALICE实验向前区重夸克冷核效应的研究[D];华中师范大学;2015年
3 戴伍圣;b-物理中若干问题研究[D];南开大学;1999年
4 张自强;强耦合N=4SYM等离子体中的重夸克势和喷注淬火参数的次领头阶研究[D];华中师范大学;2012年
5 朱祥荣;LHC/ALICE实验上质子-质子和铅-铅碰撞中π~0-强子关联和直接光子-强子关联的研究[D];华中师范大学;2014年
6 毛亚显;LHC/ALICE中的双粒子关联测量及介质效应的研究[D];华中师范大学;2011年
7 周凤雏;LHC/ALICE实验2.76TeV能区p+p对撞下π~0的产额及Pb+Pb对撞下π~0v_2的测量[D];华中师范大学;2013年
8 曾庆国;几种典型新粒子可能物理迹象的研究[D];辽宁师范大学;2014年
9 杨中娟;高能e~+e~-/γγ对撞机上的重味物理[D];山东大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张晓明;LHC/ALICE实验中重夸克的强子和半轻子衰变的探测及其能量损失效应的研究[D];华中师范大学;2009年
2 武表钢;重夸克在夸克胶子等离子体中的量子热化[D];中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所);2019年
3 赖丽芬;(?)→X_cτ(?)_τ过程中新物理效应的唯象研究[D];华中师范大学;2018年
4 潘记四;重夸克势能非微扰性质的模型研究[D];广西师范大学;2018年
5 徐桂芳;重夸克辐射能量损失的角依赖研究[D];华中师范大学;2009年
6 包营营;D,D_s到轻矢量介子半轻衰变的研究[D];辽宁师范大学;2013年
7 张祖满;LHC/ALICE实验中重味强子衰变半单轻子的研究[D];华中师范大学;2015年
8 张平;Ds(2860)强衰变的重手征理论研究[D];国防科学技术大学;2008年
9 李媚;有限化学势对各向异性介质中重夸克势能的影响[D];广西师范大学;2016年
10 初少霞;关于N=4SYM真空中重夸克势强耦合展开的次领头阶项的数值研究[D];华中师范大学;2009年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978