高能重离子碰撞中的φ介子自旋排列

发布时间：2020-04-12 19:59

【摘要】：粒子物理是以探讨“物质的基本组成”这一课题为目的之一的学科。在这一学科中发展出的量子色动力学(QCD),对核物质在高温、高密度的极端条件下的存在形式,提出了夸克-胶子等离子体(QGP)的预言。为了在实验室环境下创造这样的极端条件,科学家们发展出了名为高能重离子碰撞的实验手段。美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)就是为实现这一目的而研制的大型科学装置之一,它能将“金核-金核”加速到每核子对200GeV的碰撞能量。其中,依托于RHIC的STAR实验组经过多年的实验探测,积累的大量实验数据基本证明了在碰撞初期的极短时间内(若干fm/c范围内),确实产生了一种被称为强耦合夸克-胶子等离子体(sQGP)的高温、高密、存在强相互作用的新物质。在非中心的高能重离子碰撞中,由于系统的不对称性,参加碰撞的核物质在纵向动量上存在着梯度,这使得系统拥有较高的初始角动量。系统的轨道角动量可能导致参与碰撞的部分子发生极化,使得初始角动量被部分地转移到碰撞所产生的高温、高密度物质中。极化的部分子在强子化过程中可能保留极化信息,从而产生强子极化。倘若极化的强子在强相互作用中没有彻底丢失极化信号,则末态强子的极化将可以为实验所测得。由于涡流、自旋-轨道耦合以及磁场效应,碰撞产生的粒子的角分布可能存在某种依赖性。对这种依赖性的测量,即对自旋排列、极化的测量,是对QGP的涡流结构、流体结构和粒子产生机制的一个敏感的探针,可以提供有关夸克-胶子等离子体动力学的信息。φ介子是自旋S=1的介子,由一对正反奇异夸克组成。理论预言,在QGP中以φ介子为代表的奇异粒子的产额将会增加,这一预言在STAR的探测结果中得到了验证。φ介子与非奇异粒子的相互作用截面很小,更多地保留着系统演化早期的信息,对于QGP的形成是一个理想的探针。本论文工作中,选择了φ →K++K-反应道(这是一个有较大截面的反应道,分支比(49.2 ± 0.5)%),基于STAR实验中2010、2011以及2014年“金核-金核”碰撞的实验结果,并使用了满足名为最小偏差(Minimum-Bias,MB))的触发条件(Trigger)的数据样本,分别基于初阶事件平面和次阶事件平面测量了 φ介子的自旋排列因子ρ00,碰撞能量范围覆盖了(?)= 1.5,19.6,27,39,62.4,200GeV。在STAR探测器覆盖的动力学空间和中快度区间上,得到了明显的自旋排列信号:1、对碰撞能量(?)= 200GeV,相对初阶事件平面的测量结果为0.34±0.002(stat)±0.006(sys),相对次阶事件平面的测量结果为0.34 ± 0.001(stat)≈ 0.002(sys);2、对碰撞能量(?)=11.5-2.4GeV范围的低能量范围,相对初阶事件平面的测量结果为0.36 ± 0.005(stat)± 0.004(sys),相对次阶事件平面的测量结果为0.35±0.002(stat)± 0.0008(sys)。这一信号可能是由于系统的涡旋状态的贡献(主要来自极化的正反奇异夸克之间的重组)、以及碰撞过程中产生的磁场的贡献,这两个效果相反的效应共同造成的。其中,磁场的贡献占据主导地位。在本论文工作中,认真分析了 φ介子自旋排列的测量作为几何关系的测量,与关注粒子产额的谱学测量之间的差别。仔细考虑了可能对测量结果造成非物理影响的探测器效应,结合理论分析与模拟验证,发展出了一套关于探测器效率、事件平面分辨率、探测器接收度等探测器效应的修正方案,其中许多部分在相关研究领域属于首创。
【图文】：

条带,闪烁体,水平放置,等边三角形

第 2 章高能重离子碰撞的实验装置图2.8 ZDC位置示意图件。SMD 同样是成对的探测器，分别添加在两侧 ZDC 的第一个模块与第二个模块之间。SMD 是一个 8 道 7 道的描迹仪（Hodoscope），由塑料闪烁体组成，，整体尺寸约为 2cm 11cm 18cm。闪烁体呈 X Y 型排列，其中 21 条带呈水平放置，32 条带呈竖直放置。每条带的横街面形状接近一个高度为 7mm 的等边三角形。等边三角形中心为中空的孔道，允许插入 0 83mm 用于闪烁光的搜集和传输。每条三角形带用 59 m 镀铝聚酯薄膜包裹，从而在光学上与相邻的带隔离开。包括的闪烁体带在两个 G-10 片之间形成一个平面。水平放置的 21 条带沿竖直方向对齐，以三条带为一组，相应的三条光纤连接在一起形成一道，并被连接至一个 16 道光电倍增管的阴极表面。类似地
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O571.6

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