相对论重离子碰撞中夸克组合机制的唯象学研究

【摘要】：高能反应中的强子产生都涉及到一个强子化的问题,即反应中出现的末态夸克(或胶子)如何转化为实验能观测的各种强子。强子化是强相互作用理论QCD的重大科学问题,也是相对论重离子碰撞中夸克胶子等离子体(QGP)与末态可观测量联系的关键。由于支配它的非微扰量子色动力学(NPQCD)远未解决,目前主要依靠碎裂函数参数化以及诸如部分子碎裂或组合的强子化唯象模型来处理。 近年来,RHIC物理的理论和实验研究表明：与高能e+e-、ep、pp等所谓的基本粒子的反应不同,该能区重离子碰撞初期产生了一大团极端高温高密物质,且展现出部分子自由度,即QGP新物质形态已经形成。并且实验发现：在中等横动量区末态强子产生呈现出一系列独特性质,如重子介子的椭圆流明显分为两组并通过组分夸克数目标度性关联在一起、重子的产生相对介子有大的增强-即所谓反常的重子介子比、重子介子的核效应因子RAA和Rcp明显不同等。这种极端相对论重离子碰撞环境下重子介子产生的巨大差异,与从e+e-、ep、pp等反应发展而来并被广泛应用的强子化的碎裂机制相矛盾,却可以用夸克组合强子化图像自然解释,揭示出该环境下强子产生的特别之处。夸克组合图像已成功描述相对论重离子碰撞中强子产生的许多性质,成为描述RHIC.SPS等实验的必要机制,同时也使许多与之相关的实际问题成为理论研究的热点,如该机制的适用条件和范围(即普适性)、夸克组合过程中的熵问题等。 本文用山东夸克组合模型(SDQCM)研究RHIC和SPS能区重离子碰撞反应中各种热(即具有中、小横动量的)强子的产生规律,检验夸克组合机制的普适性,获取重离子反应中所产生的QGP的有关性质。将研究重点放在实验数据丰富而理论研究较少的SPS能区。目前国际上应用较多的两个组合类的强子化模型,即夸克重组模型(quark recombination model)和部分子热融模型(parton coalescence model),都是采用单举描述方式。SDQCM与之不同,采用的是遍举的描述方式,更有利与给出强子产生的关联等性质。本文充分利用SDQCM的遍举产生特性,系统计算重离子反应中各种轻、奇异介子和重子的产生,并与已有的实验数据比较,以模型是否能够同时自洽解释所有强子的产生性质,来作为组合机制适用性和普适性的检验标准。并且利用该特性从各种强子的实验数据中抽取出一组能够自洽描述它们的强子化前组分夸克的动量分布,分析其性质从而获取碰撞前期QGP时空演化的有关信息。进一步利用该特性研究夸克组合过程中的电荷关联和涨落,以及当组合机制描述重离子反应中QGP这一具有宏观系统特征的部分子系统的强子化时所遇到的一些热力学相关的问题,如组合过程的熵问题。具体研究内容和结论如下： (一)SPS能区重离子碰撞中的热强子产生机制的研究。首先,对SPS最高能量(?)=17.3 GeV下重离子反应中的强子产生进行了系统研究。用SDQCM计算了各种强子的产额、快度分布、横动量分布、各种重子介子比如p/π、Λ/Ks0和Ω/φ等随横动量pτ的变化。得到的结果均与已有实验数据符合。并且结合相对论流体动力学的热唯象理论,从抽取到的强子化前组分夸克的动量分布中,得到QGP前期时空演化后的集体流和奇异性,并与RHIC能量下的结果比较。发现：(1)中间快度区的奇异性在超高能的重离子碰撞反应中趋向于一个大约为0.44的饱和值；(2)在前期部分子相的演化过程中,奇异夸克获得了比轻夸克更强的集体流。其次,利用丰富的强子快度谱的实验数据,将RHIC.SPS和AGS能区的数据结合在一起做了一个纵向强子产生的能量扫描。用SDQCM计算了RHIC能区(?)=200,130,62.4 GeV Au+Au碰撞和SPS能区Ebeam=158,80,40,30,20 AGeV Pb+Pb碰撞中末态各种强子的快度分布。结果显示：在上述每一能量下,各种强子的快度谱都可以用一组组分夸克分布通过组合机制给予自洽描述。特别是在解禁闭开始的碰撞能量阈值附近,即30和20 AGeV处,组合强子化机制描述快度谱宽也很好,这意味着夸克自由度的显现；但抽取到的夸克分布的性质与更高碰撞能量相比有不寻常的行为。当继续降低碰撞能量至AGS Ebeam=11.6 AGeV时,从实验观测到的末态强子π,K和Λ的快度谱中,看不到组分夸克层次上的内在产生关联。由此推测,重离子反应中QGP产生的碰撞能量阈值在Ebeam=11.6-20 AGcV附近。 (二)组合过程中正、负电荷粒子产生关联和涨落的研究。在正确描述相对论重离子反应中单粒子分布的基础上,系统研究了不同快度区间、不同横动量区间上的带电粒子的电荷平衡函数(charge balance function)。组合模型计算出的不同PT区间上的电荷平衡函数,在快度空间内均具有纵向洛伦兹平移不变性和标度性,这与RHIC实验的观测是一致的。 (三)组合过程中熵问题的研究。用两种方法研究了夸克组合成强子前后系统熵的变化。用Gibbs-Duhem关系计算的结果发现：如果强子化后系统温度降低,则熵就不减少；通过基于粒子相空间分布的信息熵的计算结果表明：如果强子化后系统体积有一个较大增加(大约2.5-3倍),则也可保证熵不减少。该结果在一定程度上,澄清了长期以来有关夸克组合机制违背熵增原理的质疑。 这些研究结果进一步表明,在QGP可能产生的RHIC和SPS能区,夸克组合机制都能较好地描述末态软强子的产额、动量谱等产生性质,是QGP强子化的有效唯象理论。