相对论重离子碰撞中大横动量粒子的产生

发布时间：2020-06-06 08:56

【摘要】：在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)和欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)进行的超相对论重离子对撞实验中,我们能够在极小的区域内沉积极高的能量,创造出的极端高温、高密的环境,从而将原本禁闭在强子束缚态的夸克和胶子解禁闭,进而产生出一种全新的物质形态——夸克胶子等离子体(QGP)。夸克胶子等离子体存在很短时间,在其形成之后便会开始膨胀,并在演化过程中逐步地冷却,部分子最终又会重新回归禁闭状态,强子化变成末态可观测到的强子。为了探究该短暂存在的物质形态的形成过程和物态性质,不同的QGP信号、探针过去二十多年里被提出并得到了广泛且深入地研究,其中喷注淬火效应被认为是一种重要的研究夸克胶子等离子体的探针。喷注淬火又被称为部分子能量损失过程,它描述了初始硬散射过程中产生的高能部分子在穿越夸克胶子等离子体时,会与该热密介质发生相互作用,从而损失其部分初始能量的现象。实验上我们则可观测到高能重离子碰撞中单举强子的归一化高横动量谱会低于在核子核子碰撞中的产额、双强子(喷注)和规范波色子标记喷注的横动量不对称性、喷注子结构的差异等现象。随着高能对撞实验的质心能不断地提升,喷注淬火效应作为一种重要的QGP探针得到实验、理论以及唯像上越来越多的关注。在本文研究中,我们将使用一套基于次领头阶微扰量子色动力学(NLO pQCD)的部分子模型的方法来研究高能重离子碰撞中喷注淬火效应及相关问题。大横动量强子因其主要来源于硬散射过程中末态部分子的碎裂过程,能够很好地应用微扰QCD理论进行描述,其中π介子作为末态产额最丰富的强子,是高能重离子碰撞研究中最早亦是最广泛的观测量,RHIC实验中所观测到的大横动量π0介子在核-核碰撞中的压低现象是最早证实QGP存在的信号。我们采用了基于pQCD理论的部分子模型研究了质子-质子碰撞中次领头阶下单举领头强子产额、隔离光子产额以及隔离光子标记的整体喷注产额。在本文中,我们在国际上首次分别在RHIC下200GeV和LHC下2760GeV计算了两类新介子ω和K0s以及一个重子Λ的产生,其中通过对初始标度下不同单举强子的碎裂函数按DGLAP方程演化得到不同标度下的碎裂函数,并与部分子分布函数和部分子硬散射截面卷积得到质子-质子碰撞中的产生截面。我们分别讨论了RHIC和LHC能级下不同单举强子的散射截面,系统验证了pQCD理论的有效性,并为研究不同强子的碎裂过程奠定了基础。引入喷注淬火效应时,我们采用的是多重散射模型的高扭度方法。在该框架描述中,一个快速部分子与QCD介质相互作用,发生多重散射并由介质诱发的胶子辐射从而损失能量,这样的多重散射与碰撞的扭度-4过程有关,并能够给出真空部分子碎裂函数(FFs)在介质中的次领头阶有效碎裂函数(mmFFs),运用pQCD因子定理,得到核-核碰撞中单举强子的产额,给我们研究强子的不同碎裂模式提供了契机。为了更好地描述QGP火球的演化过程,我们将原模型中的3+1维理想流体力学模型Hirano替换成逐事例(event-by-event)2+1维粘滞流体力学模型VISHNU,并系统地计算了六类介子π0、p0、η ω和K0s在Au+Au 200 GeV和Pb+Pb 2760 GeV下核修正因子RAA,并通过与实验数据点进行x2拟合相应抽离出描述部分子和热密介质相互作用强度量——喷注输运参数q0的最优取值范围(RHIC:q0=0.5(+0.15/-0.05)GeV2/fm和 LHC:q0 = 1.2(+0.25/-0.15)GeV2/fm)。这也是第一次同时考虑不同种类介子的RAA来抽离喷注输运参数q0的最优取值范围,以后随着实验的精度进一步提高,各类末态粒子的实验数据更为丰富,能够极大地提高我们计算结果地精度。应用我们提取出地最佳喷注输运参数q0,我们进一步比较了ω介子、K0s介子与π0介子在质子-质子、核-核碰撞中的产额比。我们发现在RHIC能级下大横动量区间p+p碰撞下产额比ω/π0比A+A碰撞下产额比ω/π0要更大,并且没有明显地重合趋势,这是因为ω介子主要是由胶子碎裂而来,即便在核-核碰撞中胶子碎裂的占比会因为喷注淬火效应而进一步降低,我们仍然可以看到在ω介子在横动量pT = 20GeV时的胶子碎裂占比约为60%。而类似情形下π0介子的产生绝大部分都是由夸克碎裂而来,喷注淬火效应则会进一步提高π0介子的夸克碎裂占比。正是因为这两类介子的部分子碎裂占比间差异,结合喷注淬火效应导致了ω/π 在A+A碰撞中比P+p碰撞中要更为压低,类似的结果我们在φ/π0的研究中也能得到。在K0s/π0的计算中,我们可以看到其产额比在LHC能级下p+p碰撞和A+A碰撞的结果会明显重合。我们分析K0s介子的碎裂占比发现它在大横动量区间也是以夸克碎裂为主,并略低于π0介子的夸克碎裂占比,此时K0s/π0的结果主要会取决于各自介子的夸克碎裂函数(DqKs0(zh,Q2))与(Dqπ0(zh,Q2))的比值。由于部分子会在穿越QGP时损失能量,所以在核-核碰撞中K0s/π0的计算结果可以看作真空下夸克碎裂函数比值经由pT移动得到,加之我们发现夸克碎裂函数在大标度下Q= PT随zh和pT的变化不大,所以A+A碰撞下大横动量区间K0s/π0会与p+p碰撞下的结果相接近,类似的结果我们在p0/π0和η/π的研究中也能得到。在重子介子产额比(P+p/(π+π-)和(Λ+Λ)/2KS0计算中,我们发现其奇异性一方面是由于末态强子碎裂过程不同导致,另一方面是由于介质演化过程或粒子流引起。在相对论重离子碰撞中,初态冷核物质效应(CNM effects)是指由原子核引起地对高能碰撞过程的核修正效应,显然它也会对重离子实验中测量的QGP信号产生影响,在本文中我们也研究了冷核物质效应对核修正因子的贡献,一方面加深对CNM效应的理论认识,另一方面也是作为研究热核介质效应的比较基准。引入初态冷核物质效应一个主流方法是在自由核子分布函数(PDFs)上乘上参数化因子得到核中部分子分布函数(nPDFs),但由于非微扰效应,我们很难从第一性原理出发得到恰当的参数化因子或nPDFs,只能通过深度非弹(DIS)过程、Drell-Yan过程以及质子-核碰撞等实验数据拟合得到。目前不同参数化形式的nPDFs表现出的差异性十分明显,因此还需要更多的实验结果以及相应的理论来更好地约束冷核物质效应的可能参数化形式。规范波色子标记的喷注一直都是实验和理论学者们所关注喷注物理的相关热点,由于它是一个研究CNM效应很好的物理观测量。因为在领头阶下,规范波色子与部分子在硬散射过程中是背对背产生,并且规范波色子或其末态轻子在穿越夸克胶子等离子时不与热密介质发生相互作用,因此其将携带全部碰撞初期的信息。这就为我们研究冷核物质效应提供了极佳的探针。在本文中,我们选用的是光子标记的整体喷注,考虑到光子来源较多而我们更关心地是硬散射过程产生的直接光子,需要对碎裂和衰变光子进行背景扣除,我们所采用是与实验组一致的“隔离截断”方法,即围绕着光子方向锥角内伴随强子的能量总和不高于一定阈值。在次领头阶下隔离光子和隔离光子标记的喷注产额的计算中,可观测光子(prompt photon)主要来源于两个机制,一个是直接从硬散射产生的直接光子,另一个是由高能部分子碎裂而来的碎裂光子,随后我们讨论了“隔离截断”分别对两类贡献的影响。由于“隔离截断”的引入,对于光子产生的末态相空间会有额外的约束,因此微扰QCD的因子化定理对于隔离光子的产生并非始终成立。在本文中我们从理论上证明了“隔离截断”满足一定的要求则可以保证pQCD因子化定理有效。在本文中,我们使用隔离光子和隔离光子标记的整体喷注来研究高能碰撞中的冷核效应,我们分别讨论四种不同的核分布函数参数化(DSSZ,nCTEQ15,EPPS16,nIMParton16)形式下次领头阶隔离光子以及隔离光子标记的整体喷注在质子-铅核在8.16TeV下的产额。我们系统阐述了次领头阶隔离光子在特别向前和向后快度区间下冷核修正因子随末态光子横动量以及快度的依赖关系,并对应讨论了在铅核方向上平均Bjorken变量的变化范围。结果表明在不同快度区间的隔离光子的产额可以提供给我们一个有效区分不同冷核效应的机会,并且也十分直观地体现出不同nPDFs参数化形式下冷核效应地差异。我们同时也计算了隔离光子的向前向后产额不对称度,与冷核修正因子的结论一致。受双喷注相关研究启发,我们报告了隔离光子标记的整体喷注的冷核修正因子在特定隔离光子和喷注平均横动量区间下随隔离光子和喷注平均快度的变化。同时我们也发现不同的隔离光子和喷注平均横动量区间各nPDFs参数化形式给出的冷核修正因子有着显著差异,实验上亦可以计算同样的物理量,为nPDFs的参数化形式提供更多的限制。同时我们还计算并比较了pPb和pp碰撞中在入射核方向上平均Bjorken变量与在靶核方向上平均Bjorken变量比值,发现几乎没有任何变化,说明冷核效应对于入射核和靶核的影响是等同的,并未引起不平衡性分布。本文中我们还讨论了蒙特卡洛方法及其在高能核物理领域的一些应用,并简述了用于研究质子-质子碰撞的蒙特卡洛事例产生器PYTHIA的框架与主要物理内涵。随后我们又介绍了用于研究重离子碰撞蒙特卡洛事例产生器HIJING以及将其由FORTRAN版本升级成为C++版本过程中的相关工作,因为HIJING是架构在FORTRAN语言下的PYTHIA6核子核子碰撞模型上以研究高能重离子碰撞过程的模型,我们升级的工作重心就是如何实现在C++语言下的PYTHIA8模型上构建以研究高能重离子碰撞过程的HIJING++模型。我们首先深入了解、分析、比较并总结了PYTHIA6和PYTHIA8两个不同版本模型处理核子核子碰撞过程的异同,对于两者有差异的地方,在HIJING++模型内做出相应地修改与标注,如PYTHIA8中设置以及读取初始参量的方式。我们还对HIJING模型进行了模块化分析,按功能提取并定义出不同类,如Hij Physics类,更进一步将它们嫁接到PYTHIA8的程序框架内并重新封装成Hijing类,并设计、提供与用户交互的接口函数。在升级过程中,我们还对HIJING++的功能以及理论框架做出部分改良,如替换新的随机数种子产生器,新的伪随机数序列有着更好的独立性或不相干性;更丰富、灵活的数学计算相关库的接口函数;引入核遮蔽效应的标度依赖关系以更贴合实际物理过程等。最后我们给出了beta版HIJING++并行计算下效率提升的表现以及部分计算结果并与实验数据进行比较。
【图文】：

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在强相互作用下携带色荷的粒子距离越远，彼此间相互作用越强，夸克和胶子只能束缚逡逑在强子中。同时我们也发现在极高的能量密度下，夸克和胶子间强相互作用耦合强度强逡逑度会减弱，如图１N２，即表现地类似于自由粒子，这种现象称为渐进自由［４，邋５］，，并会逡逑形成一个特殊的物质形态，夸克胶子等离子体（Ｑｕａｒｋ邋Ｇｌｕｏｎ邋Ｐｌａｓｍａ，邋ＱＧＰ）。李政道提逡逑出通过相对论重离子对撞实验来产生高温高密的极端条件，试图将夸克和胶子从禁闭的逡逑强子态转变为夸克胶子等离子态［６，邋７，邋８］，但ＱＧＰ由于存在的时间极短以及夸克禁闭，逡逑是无法直接观测到夸克胶子等离子体。ＱＧＰ—旦形成后会开始碰撞并逐渐冷却，最后逡逑部分子会强子化重新形成强子，强子经过末态散射会形成可被探测器观测到的末态强逡逑子。许多学者也认为这种特殊的物质形态同样出现在宇宙大爆炸的初期，见图１．１．３。逡逑在１３７亿年前

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图１．１．３：大爆炸后温度低于ｆｃｓｒｉｏ0Ｇｅｙ时宇宙演化历史。逡逑在量子电动力学（Ｑｕａｎｔｕｍ邋Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｄｙｎａｍｉｃｓ）描述中，一个夸克ｇ与一个反夸逡逑克ｆ堘灭成一个虚光子７＊，虚光子进而衰变成一对轻子丨＋，丨＿。热光子则由夸克９与反逡逑夸克￥散射产生出胶子Ｓ和光子７。不同于强子类探针，热光子（ｒｅａｌ邋ｐｈｏｔｏｎｓ），轻逡逑子以及双轻子（ｖｉｒｔｕａｌ邋ｐｈｏｔｏｎｓ）这类电磁类探针只参与电磁相互作用，所以不会逡逑与ＱＧＰ介质发生相互作用。并且电磁相互作用强度要远远小于强相互作用强度％逡逑（0￡＾１／１３７和0５１／３在（３0？温度了邋３００邋＾＾￥），即光子和轻子的平均自由程要远远大逡逑于ＱＧＰ的尺寸，意味着光子以及轻子在穿越ＱＧＰ时发生的电磁相互作用可以忽略不逡逑计，它们将携带着几乎完整的初态信息穿越热密介质。所以通过分析光子以及轻子对的逡逑产额以及能动量分布可以知晓热密介质的早期演化信息［２２，邋２３］。逡逑２．Ｚ，Ｗ规范玻色子：逡逑Ｚ0，Ｗ＋／＿分别是重（弱）规范玻色子，它们是通过Ｄｒｅｌｌ－Ｙａｎ机制产生。沪玻色逡逑子具有较大的质量（约ｌＯＯＧｅＶ），产生于重离子碰撞初期，同样因为其质量较大，逡逑４逡逑
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O571.6

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