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超高能诱发核反应中的光子与μ子探针研究

王亚平  
【摘要】:探寻物质微观结构和质量起源,是物理学研究的前沿领域,已开展了大量的理论研究工作和高能实验工作。超高能诱发核反应实验主要包括超高能重离子碰撞实验和(超)高能宇宙线测量实验。强相互作用理论-量子色动力学(Quantum Chromo-Dynamics,简称QCD)预言,在高温或高密极端条件下,有可能产生退禁闭的夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma,简称QGP)。QGP有可能在系统碰撞后的极短瞬间存在,然后系统迅速膨胀并冷却到QCD相,最后演化成实验上观测到的末态粒子。依据“大爆炸(Big Bang)”理论,早期宇宙在大爆炸后极快的瞬间有可能发生从QGP相到QCD相的相变,然后经过迅速演化到现在这样的宇宙形态。因此,人类开展了超高能重离子碰撞实验,被加速的核束流越来越重,束流能量越来越高,末态能够达到的初始能量密度越来越高,粒子多重数越来越高。这为人类期望在实验室产生“小爆炸(Little Bang)”提供了可能性。另外,大型的高能宇宙线测量实验也在或即将开展,人们希望通过直接探测来自天体的宇宙线粒子,来解答宇宙线的起源及其加速机制,从而寻找宇宙天体间的相互作用和宇宙演化的答案。 QCD相变和QGP形成的理论预言导致了超高能重离子碰撞实验。但由于QGP只在极短的时间(~1 fm/c量级)内存在,再加上复杂的核物质效应的影响,使得准确测定QGP存在的各种信号,成为目前和将来超高能重离子碰撞实验的主要研究方向。其中,产生于碰撞初期的电磁信号(光子和双轻子信息),由于不受末态强相互作用的影响,是较为“干净”的QGP信号。它们携带有系统早期行为的信息,能提供碰撞末态火球演化早期过程中温度最高时,与QGP产生相关的内部结构的信息。因此,电磁信号被认为是探寻QGP存在及其性质研究的重要探针。在高能宇宙线测量实验方面,同样由于电磁信号具有的这些特性,γ线和μ子及其中微子也是研究宇宙线起源及其加速机制的重要探测手段。本文研究了超高能诱发核反应中的光子与μ子探针及其探测和宇宙线大气簇射模拟。 论文的第一章为超高能诱发核反应的简介,主要涉及超高能诱发核反应实验的背景、历史与现状,超高能诱发核反应中的动力学、软物理和理论模型,以及理论预言的QGP存在的一些可能信号。 论文的第二章详细阐述了超高能诱发核反应中的光子和μ子物理以及在这方面取得的实验结果。光子可以在系统各个不同的阶段产生。产生于QGP中的光子,其产率和动量分布与QGP中夸克、反夸克和胶子的动量分布有关,而它们又由QGP的热力学性质决定。因此,QGP中产生的光子能很好反映它们产生那一时刻系统的热力学状态信息。双轻子不变质量分布的变化与系统初始夸克分布的变化近似,因而人们可以通过确定双轻子谱来确定QGP的初始温度。本章对光子和双轻子的产生机制分别进行了详细的理论阐述,并给出在超高能诱发核反应实验中光子和μ子方面的实验结果。 欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)实验,将会产生比美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)实验上密度更热、体积更大和寿命更长的系统,为QGP的形成和QCD相交信号的探测提供了有利的条件。LHC运行时将在大型重离子对撞实验(ALICE)探测装置区碰撞s~(1/2)=14 TeV的质子束流和、(s_(NN))~(1/2)=5.5 TeV的铅束流。ALICE上的光子谱仪(PHOS)具有良好的能量分辨率和位置分辨率,可以直接探测碰撞中产生的光子信号。论文第三章对ALICE实验及其PHOS探测器作了简单介绍,然后详细叙述了ALICE/PHOS探测器的触发选判机制方面的模拟研究。基于AliROOT软件环境,利用PYTHIA和HIJING模型分别对LHC能区下p-p和Pb+Pb碰撞进行蒙特卡罗模拟,然后结合PHOS探测器的设计参数和物理需求,估算ALICE/PHOS探测器的探测效率和两种不同碰撞模式下的触发率。经模拟发现:触发效率随着被探测粒子的横动量的增大而呈指数衰减,并由于触发区域单元(TRU)的边界影响会导致触发效率下降约4%。在PHOS探测器的接受度范围(|η|≤0.13,Δφ=100°)内,在p-p无偏差碰撞中单举光子事件在1 GeV/c处的触发率可以达到约13 kHz;对于Pb+Pb碰撞,直接光子事件在5 GeV/c处的触发率只有几个Hz。本章开展的工作对于LHC/ALICE实验中光子实验数据的触发、判选与存储以及前端电子学系统参数的设置等具有直接的参考和指导意义。 阻抗板室(RPC)探测器以其良好的时间分辨率和空间分辨率,且制作简单,价格便宜等特点,在超高能诱发核反应实验中应用十分广泛。论文第四章对多读出条RPC探测器的读出信号和串扰信号进行了PSpice模拟研究。依据RPC探测器的工作原理,本章提出RPC探测器的电子学计算模型,并基于该模型对多读出条RPC探测器的读出信号和串扰信号进行详细的电子学仿真研究。模拟结果和宇南线测试数据在读出信号幅度、相对串扰信号幅度和波形方面表现一致,并且模拟结果出现和理论与实验上相符的“Transparency”现象。RPC探测器的研制不仅对CERN/LHC具有重要意义,而且对其它高能实验物理的研究也具有重要意义。本章给出的电子学计算模型和定性结论对RPC探测器在高能物理实验中的广泛应用具有指导意义。 宇宙线的起源及其加速机制是宇宙线物理研究中未被解决的问题。这些问题的的解答,有助于人们对宇宙及其起源有更深入的理解。另外,在气候、电子制造和生物学等领域,高能宇南线与物质的相互作用给这些领域带来的影响也引起了人们的关注。因此,人们开展了一系列与高能宇宙线相关的理论研究和大型宇宙线测量实验。其中,计算机蒙特卡罗模拟是定量研究宇宙线大气簇射的最简单有效的方法之一。论文第五章详细介绍本文基于Geant4环境开发的地球大气簇射模拟(EASS)软件包。EASS模型分别引入IGRF和Tsyganenko模型来描述地球内、外源场,其计算的磁场截止刚度与Shea-Smart理论计算值的平均相对误差为4.5%。EASS模型采用美国出版的“标准大气模型”数据对大气层进行精确定义。基于EASS模型,本章对高能宇宙线大气簇射过程的能量分布、径向分布和横向分布进行了模拟研究。这些方面的研究能给我们提供宇宙线空间分布和原初宇宙线粒子能量等相关的信息,通过EASS还可以定量研究地球磁场对大气簇射的影响。基于EASS模型的模拟结果与理论或实验结果一致,可以适用于地球大气簇射模拟。EASS模型相比于其它的宇宙线模型,主要特点是精确定义的大气层模型、地球内外磁衬P汀⑼瓯傅奈锢砉毯蜕读榛畹哪?榛绦蛏杓啤Mü鼸ASS模型还可以方便的研究地球磁场对地球大气簇射过程的影响。本章开展的工作能有效的帮助人们研究宇宙线大气簇射物理,并对高能宇宙线测量实验提供指导作用。 论文的第六章为本文的总结。 论文的附录对超高能诱发核反应实验中的软物理研究现状进行了系统的综述,从上世纪八十年代开展的BNL上交变梯度同步加速器(AGS)实验和CERN上的超级质子同步加速器(SPS)实验进行的固定靶实验,到上世纪末已经开始运行的BNL/RHIC实验和将于2008年运行的CERN/LHC实验。附录详细论述了软物理涵盖的碰撞几何、粒子产生、关联与起伏、集体膨胀和强子化这五个方面的研究现状,并对LHC上软物理的前景进行了展望。


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