Tsallis统计处理RHIC上d+Au碰撞系统中粒子横动量谱

第一章引言

1.1背景介绍
标准模型中的费米子包含轻子和夸克，轻子可见，但尚未观察到自由存在的夸克，一种主流的说法是夸克被强相互作用禁闭在强子内。描述强相互作用的理论是量子色动力学QCD (Quantum Chromodynamics),其最重要的特征是渐进自由，即彼此靠近时作用力很弱，几乎是自由粒子，远离时作用力变强，犹如一层无形的口袋将组分夸克包裹在一起，量子色动力学理论预言在极端高温高密度条件下，夸克禁闭会解除，从而形成夸克-胶子等离子体(Quark Gluon Plasma)。根据宇宙起源“大爆炸理论”，宇宙在演化过程中经历了一系列巨大变化：从高温高密度的夸克-胶子等离子体QGP(Quark Gluon Plasma)状态，演变成之后的夸克-胶子禁闭(质子、中子、胶球…)状态。相对论重离子碰撞可以在原子核尺度范围内以极短的时间实现极高温和极高密度条件。研究这种极端条件下的物质性质，对于认识宇宙起源和新物质形态一一夸克-胶子等离子体有重要的意义。位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子对撞机RHICC RelativisticHeavy-Ion Collisions)和欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机LHC(LargeHadron Collider)的目的就是要创造高温高密度条件，以便产生和研究夸克-胶子等离子体，并达到在实验室中再现宇宙诞生和演化的过程。
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1.2相对论重离子碰撞
高能重离子对撞物理，己发展成为一门介于粒子物理和原子核物理之间的交叉性学科。这一学科的研宄目标是在相对论能量下产生并研宄重离子对撞中可能形成的极端高温、高密度核物质的性质，以及探索新的核物质相。在一定条件下，当重离子速度加速到接近光速时，由于洛伦兹收缩效应，重离子会表现为圆盘状。两个剧烈碰撞的重离子，在核子经过多次碰撞之后，大部分能量已损失，但是依然有足够的能量使其继续穿过中心区，而在碰撞中心区形成了重子数密度几乎为零的极高温和极高能量密度的夸克-胶子等离子体。在此重离子碰撞中产生的夸克-胶子等离子体会快速地膨胀而冷却，当冷却之后的温度达到相变的临界温度时，就会发生夸克-胶子等离子体向强子物质的转变，产生大量的末态强子。通过对末态产物的横动量谱分布的分析，可以得到关于碰撞所产生的高温高密度热力学系统的动力学特征。图1.1是强相互作用物质的相变图，X轴是与净重子密度相关的重子化学势，y轴是温度T。红色的线是假设的相边界，物质从一相转变为另一相时需要经历相变。普通核的重子化学势较高，温度较低。蓝色箭头代表的是相对论重离子碰撞系统遵循的相变路径，2条蓝色线代表不同碰撞能量条件下的相变路径。d+Au碰撞系统会沿蓝色的路径演变，但是由于d+Au碰撞系统较小，不会引起夸克-胶子等离子体的形成。图1.1的其他相是被理论物理学家预测存在的奇异态，目前还没有被实验验证。在相对论重离子碰撞实验中，我们无法直接观察碰撞过程，但可以观察碰撞中产生的末态粒子分布。粒子产生中的化学组分以及不同粒子的动量谱都可以给出碰撞过程中粒子之间相互作用的信息。
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第二章TBW模型

2.1传统BGBW模型
测量到的带负电的强子的快度分布比静态热源能够假设的要宽，包含了共振衰减也没能改善这种情况，因为它们使得低横质量谱变得陡峭，又以同样的方式使得快度分布变窄。显然，测量的n介子动量分布不是各向同性的，与碰撞核的方向相关。由Bjorken假定的“纵向洛伦兹变换不变扩展模型”可以解释粒子产生阶段的各向异性，随后在完全散射之后，得到物质局部热化分布的洛伦兹变换不变的流。在角度方向均匀分布的单一热源谱的加和就可以得到所观察到的粒子谱。但是实验中的束能量是有限制的，所以要通过限制角度ri的范围区间来修改变换不变条件，实验测量的质子谱比计算的谱要宽，且在中心快度区时有下沉；很明显，测量到的质子依然携带大量的（50%)原初碰撞的能量，谱包含了IE和弹核碎裂区域的很多质子，这个区域没有遭受足够多的碰撞以使之成为中心火球的一部分。因为在实验快度y谱中，中心区域和碎裂区域之间没有明确的分离，只为中心区域制作的模型必定会对碎裂区域的质子失效。洛伦兹变换不变条件下的纵向扩展对应于（1+1)维的流体力学方程的解。事实上，由于初始条件是各向异性的，想必是一维扩展最初占主导地位。但是这与热化系统集体在纵向扩展而没有因流体力学系统中高压而产生的横向流假设不一致。如果方位角对称性保持不变，这应该至少由2+1维的流体力学来计算，否则应该是3+1维了，因为横向扩展会增加冷却的速率。不仅是理论上需要纳入横向流这一概念，实验上也进一步观察到了横向流现象的存在。
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2.2 Tsallis 统计
热力学的两个基石是：能量和熵。前者关注（动力或机械的）可能性，后者关注可能性发生的概率。前者更基础，明显地依赖于物理系统（经典的、量子的、相对论的或任何其他的）；后者更微妙，反映物理系统的信息。很明显，前者与具体的系统直接相关，其特征是哈密顿量(包括可能的惯性项、可能的相互作用、可能存在的外部场）。对于后者的爐来说，这些不是很明显。一直以来认为物理系统摘的微观表达是普遍的，即与系统无关，W是在总能量、总粒子数等限制下，系统可能性事件的总数。这就是玻尔兹曼-吉布斯（BG)统计，它成功地运用在很多热力学系统的研究中，如短程相互作用和Markovian过程，一般来说这些系统的动力学相空间的占有率往往都是遍历的。但是玻尔兹曼-吉布斯统计被广泛接受的普遍性中没有一个严格的基石。一般认为那些更复杂的微观系统的相空间的动态占用并不只有简单的结构，如多或等级分形几何，在这样的情况下，对熵的定义就需要更进一步化。
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第三章RHIC实验装置及数据来源 ........37
3.1 The Relatistic Heavy Ion Collider (RHIC) ........ 37
3.2 RHIC-STAR 实验装置........ 38
3.3 RHIC-PHENIX 实验装置........ 42
3.4 RHIC-BRAHMS 实验装置........ 45
3.4.1全局探测器........ 47
3.4.2径迹探测器........48
3.4.3 粒子鉴别探测器........ 49
3.5 RHIC-PHOBOS 实验装置........ 51
3.6数据来源........ 53
第四章结果........ 55
4.1中心快度区介子及重子的TBW分析结果........ 55
4.1.1介子结果 ........55
4.1.2重子结果 ........70
4.2 I/V粒子谱的TBW分析........ 82
第五章讨论与结论........ 97
5.1 STAR上中心快度区介子TBW分析结果的参数比较........ 97
5.2中心快度区n=l情形STAR拟合参数和PHENIX拟合参数比较........ 99
5.3 STAR上中心快度区重子TBW分析结果的参数比较........101
5.4粒子谱的TBW分析结果的参数比较........ 103
5.5 BRAHMS前向快度区介子TBW分析结果的参数比较........ 105
5.6 小结........ 106
5.7 展望 ........108

第五章讨论与结论

5.1 STAR上中心快度区介子TBW分析结果的参数比较
图5.1是STAR上中心快度区介子谱的平均径向流P比较，从图上可以看出n=l情形得到的平均径向流P要大于n=0情形得到的平均径向流P;横动量拟合范围未做截断情形得到的平均径向流卩要大于Pr < 拟合范围得到的平均径向流P。P+P碰撞中的径向流为0，d+Au中的径向流应该来自于碰撞过程中产生的横向动量推进（boost)。从中心度来看，径向流P随中心度的增加而减小，在擦边碰撞中达到最小，可能是因为在擦边碰撞中，碰撞厚度较小，参与碰撞的粒子数较少，形成的径向流相对也较小。从流形n来看，n=l情形侧重于末态效应，n=0情形则侧重于初态效应，而在初态效应（包括克罗宁效应、核遮蔽和CGC)中，CGC效应在中心快度区较弱，其影响可忽略，核遮蔽效应不改变粒子的横向动量分数，初态散射的横向作用会给粒子带来横向动量，演变为末态的径向流。在中心碰撞中径向流最大，可能是因为碰撞的厚度较大，初态散射较强，形成的径向流也相对较大。此外，，末态效应也有可能增加径向流。

小结

从以上的TBW分析结果可以看出，TBW模型可以很好的描述RHIC上d+Au碰撞，从结果中可以得到以下结论：
(1)碰撞中重粒子的横动量谱比轻粒子的横动量谱要平坦的多。
(2) n=0情形的径向流要比n=l情形径向流要小。
(3)从中心快度区STAR介子的结果来看，pT < 3GeV/c情形下的径向流要小于横动量无任何截断时的径向流。
(4)不同的n值和不同的拟合范围对冻出温度T影响不大，化学冻出温度基本是稳定的，与中心度无关。
(5)拟合范围巧< 3GeV/c情形下的不平衡度q要大于横动量无任何截断情形下的不平衡度q。
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参考文献（略）