發(fā)布時間：2020-06-06 08:56

【摘要】：在美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)和歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)進(jìn)行的超相對論重離子對撞實驗中,我們能夠在極小的區(qū)域內(nèi)沉積極高的能量,創(chuàng)造出的極端高溫、高密的環(huán)境,從而將原本禁閉在強(qiáng)子束縛態(tài)的夸克和膠子解禁閉,進(jìn)而產(chǎn)生出一種全新的物質(zhì)形態(tài)——夸克膠子等離子體(QGP)。夸克膠子等離子體存在很短時間,在其形成之后便會開始膨脹,并在演化過程中逐步地冷卻,部分子最終又會重新回歸禁閉狀態(tài),強(qiáng)子化變成末態(tài)可觀測到的強(qiáng)子。為了探究該短暫存在的物質(zhì)形態(tài)的形成過程和物態(tài)性質(zhì),不同的QGP信號、探針過去二十多年里被提出并得到了廣泛且深入地研究,其中噴注淬火效應(yīng)被認(rèn)為是一種重要的研究夸克膠子等離子體的探針。噴注淬火又被稱為部分子能量損失過程,它描述了初始硬散射過程中產(chǎn)生的高能部分子在穿越夸克膠子等離子體時,會與該熱密介質(zhì)發(fā)生相互作用,從而損失其部分初始能量的現(xiàn)象。實驗上我們則可觀測到高能重離子碰撞中單舉強(qiáng)子的歸一化高橫動量譜會低于在核子核子碰撞中的產(chǎn)額、雙強(qiáng)子(噴注)和規(guī)范波色子標(biāo)記噴注的橫動量不對稱性、噴注子結(jié)構(gòu)的差異等現(xiàn)象。隨著高能對撞實驗的質(zhì)心能不斷地提升,噴注淬火效應(yīng)作為一種重要的QGP探針得到實驗、理論以及唯像上越來越多的關(guān)注。在本文研究中,我們將使用一套基于次領(lǐng)頭階微擾量子色動力學(xué)(NLO pQCD)的部分子模型的方法來研究高能重離子碰撞中噴注淬火效應(yīng)及相關(guān)問題。大橫動量強(qiáng)子因其主要來源于硬散射過程中末態(tài)部分子的碎裂過程,能夠很好地應(yīng)用微擾QCD理論進(jìn)行描述,其中π介子作為末態(tài)產(chǎn)額最豐富的強(qiáng)子,是高能重離子碰撞研究中最早亦是最廣泛的觀測量,RHIC實驗中所觀測到的大橫動量π0介子在核-核碰撞中的壓低現(xiàn)象是最早證實QGP存在的信號。我們采用了基于pQCD理論的部分子模型研究了質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中次領(lǐng)頭階下單舉領(lǐng)頭強(qiáng)子產(chǎn)額、隔離光子產(chǎn)額以及隔離光子標(biāo)記的整體噴注產(chǎn)額。在本文中,我們在國際上首次分別在RHIC下200GeV和LHC下2760GeV計算了兩類新介子ω和K0s以及一個重子Λ的產(chǎn)生,其中通過對初始標(biāo)度下不同單舉強(qiáng)子的碎裂函數(shù)按DGLAP方程演化得到不同標(biāo)度下的碎裂函數(shù),并與部分子分布函數(shù)和部分子硬散射截面卷積得到質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中的產(chǎn)生截面。我們分別討論了RHIC和LHC能級下不同單舉強(qiáng)子的散射截面,系統(tǒng)驗證了pQCD理論的有效性,并為研究不同強(qiáng)子的碎裂過程奠定了基礎(chǔ)。引入噴注淬火效應(yīng)時,我們采用的是多重散射模型的高扭度方法。在該框架描述中,一個快速部分子與QCD介質(zhì)相互作用,發(fā)生多重散射并由介質(zhì)誘發(fā)的膠子輻射從而損失能量,這樣的多重散射與碰撞的扭度-4過程有關(guān),并能夠給出真空部分子碎裂函數(shù)(FFs)在介質(zhì)中的次領(lǐng)頭階有效碎裂函數(shù)(mmFFs),運用pQCD因子定理,得到核-核碰撞中單舉強(qiáng)子的產(chǎn)額,給我們研究強(qiáng)子的不同碎裂模式提供了契機(jī)。為了更好地描述QGP火球的演化過程,我們將原模型中的3+1維理想流體力學(xué)模型Hirano替換成逐事例(event-by-event)2+1維粘滯流體力學(xué)模型VISHNU,并系統(tǒng)地計算了六類介子π0、p0、η ω和K0s在Au+Au 200 GeV和Pb+Pb 2760 GeV下核修正因子RAA,并通過與實驗數(shù)據(jù)點進(jìn)行x2擬合相應(yīng)抽離出描述部分子和熱密介質(zhì)相互作用強(qiáng)度量——噴注輸運參數(shù)q0的最優(yōu)取值范圍(RHIC:q0=0.5(+0.15/-0.05)GeV2/fm和 LHC:q0 = 1.2(+0.25/-0.15)GeV2/fm)。這也是第一次同時考慮不同種類介子的RAA來抽離噴注輸運參數(shù)q0的最優(yōu)取值范圍,以后隨著實驗的精度進(jìn)一步提高,各類末態(tài)粒子的實驗數(shù)據(jù)更為豐富,能夠極大地提高我們計算結(jié)果地精度。應(yīng)用我們提取出地最佳噴注輸運參數(shù)q0,我們進(jìn)一步比較了ω介子、K0s介子與π0介子在質(zhì)子-質(zhì)子、核-核碰撞中的產(chǎn)額比。我們發(fā)現(xiàn)在RHIC能級下大橫動量區(qū)間p+p碰撞下產(chǎn)額比ω/π0比A+A碰撞下產(chǎn)額比ω/π0要更大,并且沒有明顯地重合趨勢,這是因為ω介子主要是由膠子碎裂而來,即便在核-核碰撞中膠子碎裂的占比會因為噴注淬火效應(yīng)而進(jìn)一步降低,我們?nèi)匀豢梢钥吹皆讦亟樽釉跈M動量pT = 20GeV時的膠子碎裂占比約為60%。而類似情形下π0介子的產(chǎn)生絕大部分都是由夸克碎裂而來,噴注淬火效應(yīng)則會進(jìn)一步提高π0介子的夸克碎裂占比。正是因為這兩類介子的部分子碎裂占比間差異,結(jié)合噴注淬火效應(yīng)導(dǎo)致了ω/π 在A+A碰撞中比P+p碰撞中要更為壓低,類似的結(jié)果我們在φ/π0的研究中也能得到。在K0s/π0的計算中,我們可以看到其產(chǎn)額比在LHC能級下p+p碰撞和A+A碰撞的結(jié)果會明顯重合。我們分析K0s介子的碎裂占比發(fā)現(xiàn)它在大橫動量區(qū)間也是以夸克碎裂為主,并略低于π0介子的夸克碎裂占比,此時K0s/π0的結(jié)果主要會取決于各自介子的夸克碎裂函數(shù)(DqKs0(zh,Q2))與(Dqπ0(zh,Q2))的比值。由于部分子會在穿越QGP時損失能量,所以在核-核碰撞中K0s/π0的計算結(jié)果可以看作真空下夸克碎裂函數(shù)比值經(jīng)由pT移動得到,加之我們發(fā)現(xiàn)夸克碎裂函數(shù)在大標(biāo)度下Q= PT隨zh和pT的變化不大,所以A+A碰撞下大橫動量區(qū)間K0s/π0會與p+p碰撞下的結(jié)果相接近,類似的結(jié)果我們在p0/π0和η/π的研究中也能得到。在重子介子產(chǎn)額比(P+p/(π+π-)和(Λ+Λ)/2KS0計算中,我們發(fā)現(xiàn)其奇異性一方面是由于末態(tài)強(qiáng)子碎裂過程不同導(dǎo)致,另一方面是由于介質(zhì)演化過程或粒子流引起。在相對論重離子碰撞中,初態(tài)冷核物質(zhì)效應(yīng)(CNM effects)是指由原子核引起地對高能碰撞過程的核修正效應(yīng),顯然它也會對重離子實驗中測量的QGP信號產(chǎn)生影響,在本文中我們也研究了冷核物質(zhì)效應(yīng)對核修正因子的貢獻(xiàn),一方面加深對CNM效應(yīng)的理論認(rèn)識,另一方面也是作為研究熱核介質(zhì)效應(yīng)的比較基準(zhǔn)。引入初態(tài)冷核物質(zhì)效應(yīng)一個主流方法是在自由核子分布函數(shù)(PDFs)上乘上參數(shù)化因子得到核中部分子分布函數(shù)(nPDFs),但由于非微擾效應(yīng),我們很難從第一性原理出發(fā)得到恰當(dāng)?shù)膮?shù)化因子或nPDFs,只能通過深度非彈(DIS)過程、Drell-Yan過程以及質(zhì)子-核碰撞等實驗數(shù)據(jù)擬合得到。目前不同參數(shù)化形式的nPDFs表現(xiàn)出的差異性十分明顯,因此還需要更多的實驗結(jié)果以及相應(yīng)的理論來更好地約束冷核物質(zhì)效應(yīng)的可能參數(shù)化形式。規(guī)范波色子標(biāo)記的噴注一直都是實驗和理論學(xué)者們所關(guān)注噴注物理的相關(guān)熱點,由于它是一個研究CNM效應(yīng)很好的物理觀測量。因為在領(lǐng)頭階下,規(guī)范波色子與部分子在硬散射過程中是背對背產(chǎn)生,并且規(guī)范波色子或其末態(tài)輕子在穿越夸克膠子等離子時不與熱密介質(zhì)發(fā)生相互作用,因此其將攜帶全部碰撞初期的信息。這就為我們研究冷核物質(zhì)效應(yīng)提供了極佳的探針。在本文中,我們選用的是光子標(biāo)記的整體噴注,考慮到光子來源較多而我們更關(guān)心地是硬散射過程產(chǎn)生的直接光子,需要對碎裂和衰變光子進(jìn)行背景扣除,我們所采用是與實驗組一致的“隔離截斷”方法,即圍繞著光子方向錐角內(nèi)伴隨強(qiáng)子的能量總和不高于一定閾值。在次領(lǐng)頭階下隔離光子和隔離光子標(biāo)記的噴注產(chǎn)額的計算中,可觀測光子(prompt photon)主要來源于兩個機(jī)制,一個是直接從硬散射產(chǎn)生的直接光子,另一個是由高能部分子碎裂而來的碎裂光子,隨后我們討論了“隔離截斷”分別對兩類貢獻(xiàn)的影響。由于“隔離截斷”的引入,對于光子產(chǎn)生的末態(tài)相空間會有額外的約束,因此微擾QCD的因子化定理對于隔離光子的產(chǎn)生并非始終成立。在本文中我們從理論上證明了“隔離截斷”滿足一定的要求則可以保證pQCD因子化定理有效。在本文中,我們使用隔離光子和隔離光子標(biāo)記的整體噴注來研究高能碰撞中的冷核效應(yīng),我們分別討論四種不同的核分布函數(shù)參數(shù)化(DSSZ,nCTEQ15,EPPS16,nIMParton16)形式下次領(lǐng)頭階隔離光子以及隔離光子標(biāo)記的整體噴注在質(zhì)子-鉛核在8.16TeV下的產(chǎn)額。我們系統(tǒng)闡述了次領(lǐng)頭階隔離光子在特別向前和向后快度區(qū)間下冷核修正因子隨末態(tài)光子橫動量以及快度的依賴關(guān)系,并對應(yīng)討論了在鉛核方向上平均Bjorken變量的變化范圍。結(jié)果表明在不同快度區(qū)間的隔離光子的產(chǎn)額可以提供給我們一個有效區(qū)分不同冷核效應(yīng)的機(jī)會,并且也十分直觀地體現(xiàn)出不同nPDFs參數(shù)化形式下冷核效應(yīng)地差異。我們同時也計算了隔離光子的向前向后產(chǎn)額不對稱度,與冷核修正因子的結(jié)論一致。受雙噴注相關(guān)研究啟發(fā),我們報告了隔離光子標(biāo)記的整體噴注的冷核修正因子在特定隔離光子和噴注平均橫動量區(qū)間下隨隔離光子和噴注平均快度的變化。同時我們也發(fā)現(xiàn)不同的隔離光子和噴注平均橫動量區(qū)間各nPDFs參數(shù)化形式給出的冷核修正因子有著顯著差異,實驗上亦可以計算同樣的物理量,為nPDFs的參數(shù)化形式提供更多的限制。同時我們還計算并比較了pPb和pp碰撞中在入射核方向上平均Bjorken變量與在靶核方向上平均Bjorken變量比值,發(fā)現(xiàn)幾乎沒有任何變化,說明冷核效應(yīng)對于入射核和靶核的影響是等同的,并未引起不平衡性分布。本文中我們還討論了蒙特卡洛方法及其在高能核物理領(lǐng)域的一些應(yīng)用,并簡述了用于研究質(zhì)子-質(zhì)子碰撞的蒙特卡洛事例產(chǎn)生器PYTHIA的框架與主要物理內(nèi)涵。隨后我們又介紹了用于研究重離子碰撞蒙特卡洛事例產(chǎn)生器HIJING以及將其由FORTRAN版本升級成為C++版本過程中的相關(guān)工作,因為HIJING是架構(gòu)在FORTRAN語言下的PYTHIA6核子核子碰撞模型上以研究高能重離子碰撞過程的模型,我們升級的工作重心就是如何實現(xiàn)在C++語言下的PYTHIA8模型上構(gòu)建以研究高能重離子碰撞過程的HIJING++模型。我們首先深入了解、分析、比較并總結(jié)了PYTHIA6和PYTHIA8兩個不同版本模型處理核子核子碰撞過程的異同,對于兩者有差異的地方,在HIJING++模型內(nèi)做出相應(yīng)地修改與標(biāo)注,如PYTHIA8中設(shè)置以及讀取初始參量的方式。我們還對HIJING模型進(jìn)行了模塊化分析,按功能提取并定義出不同類,如Hij Physics類,更進(jìn)一步將它們嫁接到PYTHIA8的程序框架內(nèi)并重新封裝成Hijing類,并設(shè)計、提供與用戶交互的接口函數(shù)。在升級過程中,我們還對HIJING++的功能以及理論框架做出部分改良,如替換新的隨機(jī)數(shù)種子產(chǎn)生器,新的偽隨機(jī)數(shù)序列有著更好的獨立性或不相干性;更豐富、靈活的數(shù)學(xué)計算相關(guān)庫的接口函數(shù);引入核遮蔽效應(yīng)的標(biāo)度依賴關(guān)系以更貼合實際物理過程等。最后我們給出了beta版HIJING++并行計算下效率提升的表現(xiàn)以及部分計算結(jié)果并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
【圖文】：

在強(qiáng)相互作用下攜帶色荷的粒子距離越遠(yuǎn)，彼此間相互作用越強(qiáng)，夸克和膠子只能束縛逡逑在強(qiáng)子中。同時我們也發(fā)現(xiàn)在極高的能量密度下，夸克和膠子間強(qiáng)相互作用耦合強(qiáng)度強(qiáng)逡逑度會減弱，如圖１N２，即表現(xiàn)地類似于自由粒子，這種現(xiàn)象稱為漸進(jìn)自由［４，邋５］，，并會逡逑形成一個特殊的物質(zhì)形態(tài)，夸克膠子等離子體（Ｑｕａｒｋ邋Ｇｌｕｏｎ邋Ｐｌａｓｍａ，邋ＱＧＰ）。李政道提逡逑出通過相對論重離子對撞實驗來產(chǎn)生高溫高密的極端條件，試圖將夸克和膠子從禁閉的逡逑強(qiáng)子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭淇四z子等離子態(tài)［６，邋７，邋８］，但ＱＧＰ由于存在的時間極短以及夸克禁閉，逡逑是無法直接觀測到夸克膠子等離子體。ＱＧＰ—旦形成后會開始碰撞并逐漸冷卻，最后逡逑部分子會強(qiáng)子化重新形成強(qiáng)子，強(qiáng)子經(jīng)過末態(tài)散射會形成可被探測器觀測到的末態(tài)強(qiáng)逡逑子。許多學(xué)者也認(rèn)為這種特殊的物質(zhì)形態(tài)同樣出現(xiàn)在宇宙大爆炸的初期，見圖１．１．３。逡逑在１３７億年前

圖１．１．３：大爆炸后溫度低于ｆｃｓｒｉｏ0Ｇｅｙ時宇宙演化歷史。逡逑在量子電動力學(xué)（Ｑｕａｎｔｕｍ邋Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｄｙｎａｍｉｃｓ）描述中，一個夸克ｇ與一個反夸逡逑克ｆ堘滅成一個虛光子７＊，虛光子進(jìn)而衰變成一對輕子丨＋，丨＿。熱光子則由夸克９與反逡逑夸克￥散射產(chǎn)生出膠子Ｓ和光子７。不同于強(qiáng)子類探針，熱光子（ｒｅａｌ邋ｐｈｏｔｏｎｓ），輕逡逑子以及雙輕子（ｖｉｒｔｕａｌ邋ｐｈｏｔｏｎｓ）這類電磁類探針只參與電磁相互作用，所以不會逡逑與ＱＧＰ介質(zhì)發(fā)生相互作用。并且電磁相互作用強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于強(qiáng)相互作用強(qiáng)度％逡逑（0￡＾１／１３７和0５１／３在（３0？溫度了邋３００邋＾＾￥），即光子和輕子的平均自由程要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大逡逑于ＱＧＰ的尺寸，意味著光子以及輕子在穿越ＱＧＰ時發(fā)生的電磁相互作用可以忽略不逡逑計，它們將攜帶著幾乎完整的初態(tài)信息穿越熱密介質(zhì)。所以通過分析光子以及輕子對的逡逑產(chǎn)額以及能動量分布可以知曉熱密介質(zhì)的早期演化信息［２２，邋２３］。逡逑２．Ｚ，Ｗ規(guī)范玻色子：逡逑Ｚ0，Ｗ＋／＿分別是重（弱）規(guī)范玻色子，它們是通過Ｄｒｅｌｌ－Ｙａｎ機(jī)制產(chǎn)生。滬玻色逡逑子具有較大的質(zhì)量（約ｌＯＯＧｅＶ），產(chǎn)生于重離子碰撞初期，同樣因為其質(zhì)量較大，逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O571.6

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本文編號：2699449