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高能核—核碰撞中新物质形态及其强子化物理研究

朱励霖  
【摘要】: 量子色动力学预言在极高能量密度下,会产生一种由夸克,反夸克和胶子组成的新物质形态,这是夸克胶子等离子体(QGP)。而相对论重离子碰撞就是深入研究这种新物质形态的重要实验手段,人们希望通过这种方法,实现从强子物质到夸克物质的相变。研究高能碰撞的末态观测量,比如:末态粒子的分布谱、粒子关联、起伏……,是了解高能重离子碰撞演化过程及粒子产生机制的重要途径。本文利用在布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上四个实验组的数据,深入探讨了末态粒子的产生机制及其分布的特征。 本文首先简单回顾了相对论重离子碰撞的实验和理论的现状。然后介绍计算中所需的基本物理概念和唯象模型,包括描述核-核碰撞中,核几何形状的Glauber模型;重组合模型(Recombination/Coalescence(ReCo) Model),特别是Oregon小组(Hwa/Yang)模型的基本思想;以及Peter Levai小组的ALgebraic COalescence Rehadronization模型(ALCOR)。 首先利用统计力学方法探讨了高能重离子碰撞中产生的QGP的热力学性质。在高温下,由于渐近自由,部分子之间的相互作用很弱,所以可以把夸克和胶子当作自由气体来处理。但是,在临界温度(Tc)附近,由于偶合常数比较大,所以很难再利用解析的方法。如果从第一原理出发,利用格点QCD计算,又需要大量时间和计算机资源。因此,在本文第二章中,将会用一个自洽的准粒子唯象模型研究QGP的热化性质。假设部分子间的相互作用可以全部包含在其质量之中,这样就可以把系统当作理想气态来处理,然后再利用统计力学,计算各种热力学量。在TTc区域,可以很好的拟合格点QCD数据。 基于ALCOR模型讨论奇异粒子在不同波函数组合下的产生率。结果表明强子产生率依赖于胶子质量,但对温度并不敏感;而产生率之比几乎与胶子质量无关。再选择能量为s~(1/2)=200AGeV, Au+Au中心碰撞中的粒子比Φ/K*=0.60±0.15作为出发点,计算在不同波函数组合的强子比,结果表明粒子之比对波函数的选择不敏感。另外,本文还利用最新的实验数据p/π和p/p,在夸克重组合模型(Recombination Model)的框架下,重新探讨了高能重离子碰撞中,在向前快度区域(η=3.2)末态强子的产生。重新考虑了系统中部分子动量衰减和夸克再生效应后,得到与实验数据相符的带电强子谱和较大的质子与π介子之比,而且还预言了反质子与质子之比。 在深入研究核-核碰撞的重叠区域几何结构基础上,统一描述了在低横动量区域(pT2GeV/c),π0介子所有与轴向方位角有关的观测量:核修正因子RAA(φ,Np),椭圆流v2(Np)和ridge产量YR(φs,Np),并与实验数据符合的很好。两个基本的出发点是:系统表面的半硬散射导致轴向异性和ridge粒子的产生与触发粒子的选择无关。虽然RAA是单粒子分布的量度,而YR是触发粒子和其伴随粒子关联的量度,但两者之间存在着紧密的联系。在整个物理图像中,最关键一点就是把单粒子分布dNAAπ/pTdptdφ分为两部分:不依赖于方位角φ的bulk组分(B(pT,Np))和依赖于φ的ridge组分(R(pT,φ,Np))。 最后,本文利用RHIC实验数据,深入研究不同的中心度,(赝)快度和碰撞系统下,π介子,质子和反质子横动量谱的标度行为。结果表明:π介子的标度行为不依赖与中心度、(赝)快度、碰撞系统和质心能量而存在。而对于质子和反质子,在SNN~(1/2)=200 GeV下,Au+Au碰撞中也存在不依赖于中心度和快度的标度行为。但三者的标度行为存在着差别,这与粒子的夸克组成有着紧密的联系。在这些过程中,表征这些粒子标度行为的参数只有一个:粒子的平均横动量〈pT〉,其依赖于中心度、快度、碰撞能量及其碰撞系统。一旦知道了〈pT〉,那么低pT区的软过程部分和高pT区的硬过程部分就可以由粒子标度函数决定了。然后再利用π介子和质子标度行为,研究p+p碰撞中带电强子在不同多重数下横动量分布的标度行为。发现不同多重数下的分布谱仍具有标度行为,并可以用π介子和质子标度函数的线性叠加来表示。与动量不同,动能是一个标量,并直接与热密物质的温度相关。由于质量效应,对于不同的粒子,相同的动量对应着不同的动能。这样,在超相对论重离子碰撞中,动能的分布更能有效地揭示系统的热化性质。因此,第七章还进一步研究质子和π介子横能分布的标度行为,并与其横动量的标度行为进行了比较,结果表明在低和高动量(横能)区域,横能的标度性更好。标度律可以作为探寻粒子产生的机制的一个重要信息。通过分析,发现弦碎裂和团碎裂机制可以分别描述π介子和质子的标度行为,但是不能同时得到这两种粒子标度行为,因此这两种机制并不是普适的粒子产生机制,需要寻找新的机制来解释末态粒子的产生。


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