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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

张晓明  
【摘要】: 什么是组成自然界物质的最基本粒子?以及这些基本粒子间的相互作用有什么特性?是当前物理学研究领域最基本也最急需解答的问题。根据标准模型,组成普通物质的基本粒子可分为夸克和轻子两类。夸克间的相互作用为强相互作用,作为传递这种相互作用传播子的规范粒子为胶子。在通常情况下有强相互作用渐进自由的特性,夸克和胶子被束缚在普通强子中,而看不到自由的夸克或胶子。这种现象被称为”夸克囚禁”。但格点量子电动力学(1QCD)的计算预言了在极端的高能量密度或重子数密度的条件下可发生从普通强子相到退紧闭的夸克胶子等离子体相(QGP)的相变。对于退禁闭相变的研究能检测基本的物理理论并更进一步的揭示强相互作用的性质。而且这种退禁闭相变还认为出现在宇宙大爆炸后约1μs的时间内,对QGP特性的研究还有助于我们了解宇宙的历史和演化. 在实验室条件下,人们是通过加速重离子核使其相撞而产生发生QGP相变的高能量密度或高重子数密度。通过对碰撞末态产物的测量和分析,人们可以寻找到是否在碰撞过程中发生了退禁闭的QGP相变的线索,并进一步的研究相变所产生的热密介质的特性.在过去的30年里人们建造了SPS,AGS,RHIC等一系加速器用于粒子物理和寻找QGP相变信号的研究.对于有望在今年下半年运行的大型强子对撞机(LHC)进行对撞的质心能量约为RHIC能区的30倍,它的运行将开辟高能物理的新纪元。作为LHC上四大实验之一的ALICE实验是唯一致力于研究重离子碰撞的国际合作实验组。ALICE实验的重要目标是在质心系能量为5.5 TeV的Pb-Pb对撞条件下研究退禁闭相变和手征对称性恢复。 目前在RHIC上所观测到的高横动量强子的压低和末态强子的集体流效应都暗示退禁闭相变已经在RHIC能区发生。而在有着更高的碰撞质心系能量(5.5 TeV)和跟大碰撞体系(Pb-Pb)的LHC/ALICE实验中人们的工作重点将放在全面研究QGP物质的特性上。理论估计在LHC能区硬过程将占主导(98%),这会导致硬散射末态丰富的粲和美夸克的产生.重夸克粲和美由于其强产生和弱衰变的特点,它们产生时间早于QGP相变而由于弱衰变它们会穿越相变形成的热密物质并与其发生相互作用。这使得它们经历整个相变过程,这使它们携带了丰富的热密介质的信息。实验上是通过观测末态由重夸克碎裂而得到的带粲和带美的强子来获取重夸克的信息。所以对于在核一核碰撞的环境下重建和分析末态的重味强子是我们研究退禁闭物质特性的有利手段。但作为对基本理论的检验和作为核一核碰撞的基准,在进行核一核碰撞前需先运行p-p碰撞。按计划,LHC将在今年下半年运行质心能量为14 TeV的质子一质子碰撞并得到此碰撞的实验数据,本文主要讨论在ALICE实验中质心系能量为14 TeV的实验环境下重味强子的重建。而在核一核碰撞的条件下,重夸克将于碰撞末态产生的热密介质相互作用损失能量,通过与p-p碰撞下结果的对比来测量能量损失可更深入的揭示强相互作用的特性也为探测QGP信号提供了途径。在本文的最后我们还将探讨研究重夸克穿越热密介质时能量损失的唯像工作。 在第一章里简单的介绍了在LHC/ALICE实验中研究退禁闭相变的动机,LHC能区重夸克的物理和以前实验中有关重夸克的探测结果会分别在第二,三章中介绍。第四章主要介绍本工作中所用到的探测器以及LHC/ALCIE实验中数据处理和分析的软件平台。由于LHC/ALICE实验的探测器系统粗略可以分成中心桶部探测器系统(赝快度范围,-0.9>η<0.9)向前区的μ子普仪(赝快度范围,-4<η<-2.4),我们也将分别在ALICE实验的中心区和向前区分别通过强子衰变道和关联双轻子衰变道对重味强子进行重建或测量. 在第五章中我们通过强子的级联衰变道D~(*+)→D~0π_s D~0→K_π,来重建D~(*±)介子。由于这种级联衰变的拓扑结构不同于一般的二体衰变(D~0→K_π)或三体衰变(D~0toKππ)的拓扑结构,这使得我们在做数据分析时要开发出新的数据结果来分析和存储D~(*±)的级联衰变对象.为此我们通过改进ALICE实验中用于数据处理和分析的软件包AliRoot里有关中心区重夸克重建的框架并加入专门用于D~(*±)介子重建和存储的类使得我们所要分析的D~(*±)的级联衰变过程的分析可以应用于AliRoot当中。基于我们所改进的分析框架,我们分别测试了D~(*±)级联衰变的结构截断,PID的截断和运动学截断对信号筛选的效率.我们的研究结果表明,我们所用的截断能大大提高在不变质量(M_(Kππ)-M_(Kπ))峰下信号的显著性.同时我们发现在D~(*±)粒子的筛选过程中π_s粒子带来了大量的背景,提高π_s粒子的重建和判选的效率将有助于提高D~(*±)粒子的重建效率,这将是我们下一阶段要研究的工作。 通过ALICE向前区的μ子普仪里通过关联异号双μ子对测量初级的带美和带粲强子的产生截面的工作将在第六章中介绍。在此工作中我们首先分析了在ALICE实验的向前区μ子谱仪的接受度范围内异号双μ子的各种源,进而我们假设来自共振态粒子和非关联背景的贡献别理想的减除了。我们进一步工作就是要从关联异号双μ子不变质量普中分离出来自带粲和带美强子的贡献。我们先通过拟合由产生器所产生的来自粲和美的关联异号双μ子的不变质量分布得到各自的形状函数,再用形状函数去拟合整体的不变质量分布从而分离来自两种不同源的关联异号双μ子。将以上得到的结论乘上一个从MC信息里得到的因子F_(MC)我们就可以得到初级带美或带粲强子的产生截面。我们进一步估计了由F_(MC)因子所引入的系统误差。我们的结果表明利用关联异号双μ子可以将初级的美和粲强子的产生截面重建到较底的横动量区间。并且我们的结果在误差范围内很好的与我们所输入的分布一致。 最后在第七章我们研究了有限温度下RHIC和LHC能区中重夸克穿越热密介质时的辐射能量损失,我们发现由于在这两个能区中由于入射部分子的能量高,温度效应对部分子能量损失的影响可以忽略,特别是在高横动量区间,部分子能量损失基本不随系统温度而改变。我们还发现随着系统温度的升高,部分子间的耦合会变弱这会使得重夸克在热密介质中的能量损失率减少而温度升高的同时介质的德拜质量也增大,这会使重夸克的能量损失率增加。在热密介子体系里随着系统温度的升高这两种效应相互竞争。在小横动量区间德拜屏蔽效应起重要作用而在高横动量区间耦合效应占主导。根据RHIC上现有的数据,仅考虑重夸克的辐射能量损失并不能很好的解释非光子电子的压低现象,我们在此加入重夸克的碰撞能量损失机制得到了与实验相符的结论。利用表面发射的观点我们解释了为什么在RHIC能区解释轻部分子压底时不需要考虑碰撞能量损失而在重夸克的情况下需要考虑碰撞能量损失。我们准备将此工作推广到LHC能区,并预言在LHC能区重夸克的核修正因子。


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