强子物质中介子—介子非弹性散射的研究

【摘要】： 格点QCD预言在高温高密下将会产生一种新的物质——夸克-胶子等离子体。相对论重离子碰撞被认为是在可控制的实验室环境中产生夸克-胶子等离子体的重要实验手段。在相对论重离子碰撞中，夸克-胶子等离子体在临界温度转化为包含大量的π介子和一部分ρ、ω、K和K~*介子的强子物质。无论夸克-胶子等离子体是否形成，碰撞过程中肯定会出现热密的强子物质。因此研究热密强子物质的性质一方面具有独立研究的现实意义，另一方面作为产生夸克-胶子等离子体的信号背景也要被分析清楚。强子物质在热冻结之前会经历一段较长的时间，同时强子物质的演化也会影响强子的产生。为了理解强子物质的演化，必须研究作为强子物质演化基本过程的介子-介子散射。介子-介子非弹性散射对研究未知的强子物质的化学平衡是非常重要的。 本文首先在绪论中对相关的研究背景进行了回顾和概括，并给出本文的研究目的和研究的主要内容。然后在随后的章节中系统地报告了我们所开展的研究工作。本论文的主要研究和创新工作分成三个部分：介子-介子非弹性散射截面、主率方程组和强子物质中的光子产生。 基于扩展的Buchmuller-Tye势，研究了夸克交换机制支配的介子-介子非共振反应。源于色束缚和单胶子交换加上单圈和两圈修正的Buchmuller-Tye势，是不依赖于自旋的非相对论中心势。扩展的Buchmuller-Tye势包括这不依赖于自旋的中心势、自旋-自旋项、自旋-轨道耦合项和张量项。夸克-反夸克相对运动波函数是这不依赖于自旋的中心势的薛定谔方程的解。我们将得到的I=2ππ和I=3／2 Kπ的S波弹性散射相移与实验值进行比较，得到了满意的结果。因此该相对运动波函数是可靠的。我们研究了基态的赝标八重态介子和基态的矢量九重态介子之间的非弹性散射，得到了包括非共振反应I=2ππ(?)ρρ、I=2πρ(?)ρρ、I=1KK(?)K~*K~*、I=1 KK~*(?)K~*K~*、I=3／2πK (?)ρK~*、I=3／2πK~*(?)ρK~*、I=3／2ρK (?)ρK~*和I=3／2πK~*ρK的截面在内的许多有用的新结果。这些截面在实验上是未知的，并且理论上也没有被计算过。本工作在国际上是首次计算了这些非共振反应的截面。数值结果显示，前后形式在弹性散射中得到的结果是相同的，而在非弹性散射中得到的结果不同。前后形式差异是由依赖于自旋的作用势引起的。由这些涉及π、ρ、K和K~*介子的反应截面可看出，仅由K介子和K~*介子组成的物质中的介子相互作用要比仅由π介子和ρ介子组成的物质中的介子相互作用更强。反应I=3／2πK~*→ρK在这些吸热非共振反应中是最重要的。ρ介子和K~*介子的产生截面分别要比它们的吸收截面大。为了有助于理解φ介子在强子物质中的行为，我们首次从夸克层次上研究了φ介子和其它强子散射的截面。通过夸克交换机制，我们计算了非共振反应I=1πφ→KK~*(或K~*K)、I=1πφ→K~*K~*、I=1ρφ→KK、I=1ρφ→KK~*(或K~*K)和I=1ρφ→K~*K~*的截面，给出了φ介子与π介子以及ρ介子碰撞的吸收截面随质心系能量(?)的变化关系。 本文首次研究了夸克交换过程在强子物质演化中的作用。为了得到π介子、ρ介子、K介子和矢量K介子的逃逸度随时间的变化，我们建立了关于这些介子的主率方程组。主率方程组应用了上面计算得到的π介子、ρ介子、K介子和矢量K介子之间的非弹性散射截面。我们把介子一介子非弹性反应分为三个部分。第一部分是夸克交换过程，第二部分是夸克一反夸克湮灭过程，第三部分是共振过程。我们把夸克交换诱导反应的截面参数化以方便求解主率方程组使用。给定介子的逃逸度初值，我们利用四阶Runge-Kutta法同时求解主率方程组和流体动力学方程。主率方程组的数值结果显示：介子-介子的反应和强子物质的膨胀共同支配了π介子、ρ介子、K介子和矢量K介子的逃逸度的变化。夸克交换过程出现在很多反应中。夸克交换过程使π和ρ介子(K和K~*介子)数密度改变的大小相等而方向相反。夸克交换过程可以显著地增大或减小逃逸度，从而在介子-介子非弹性散射对强子物质演化的影响中起着重要的作用。 使用由主率方程组得到的π介子和ρ介子的逃逸度，研究了化学非平衡对强子物质中热光子产生的影响。直接光子产生被认为是探测夸克-胶子等离子体在重离子碰撞中形成的一个很有希望的信号。可以用带有逃逸度的Juttner分布来描述化学非平衡强子物质中介子的相空间分布。我们使用相对论动力学理论计算了化学非平衡强子物质中热光子的产生率。由光子的产生率对强子物质的时空体积进行积分得到光子谱。我们对计算出的结果进行了讨论。与处于化学平衡的强子物质相比，化学非平衡下的光子产生率被抑制。强子物质的光子谱，特别是高能光子，主要由对应高温的强子物质演化早期阶段所支配。