本文關(guān)鍵詞：相對論重離子碰撞中噴注淬火效應的定量研究　出處：《華中師范大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：自上世紀七十年代一種新的物質(zhì)形態(tài)一夸克-膠子等離子體(QGP)被預言以來,在實驗室條件下開展極端相對論重離子碰撞實驗形成高溫高密的熱核環(huán)境是產(chǎn)生和研究QGP物質(zhì)有效而重要的手段。QGP物質(zhì)被認為是宇宙大爆炸初期的產(chǎn)物,因此對QGP物質(zhì)的研究將深遠地影響人們對宇宙的演化、星體的形成與性質(zhì)以及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與相互作用等多方面的認識。在極端相對論重離子碰撞實驗中,QGP物質(zhì)只存在于碰撞早期的極短暫時間內(nèi),如何根據(jù)碰撞后產(chǎn)生的末態(tài)強子信息來判斷QGP物質(zhì)的產(chǎn)生以及研究其性質(zhì),是高能核物理領域一個極其重要的課題。經(jīng)過幾代物理學家持續(xù)不懈的努力,在美國布魯海汶國家實驗室(BNL)的相對論重離子對撞機(RHIC)和歐洲核子中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)上相繼開展了高能核-核碰撞實驗,大量的實驗數(shù)據(jù)表明QGP這一全新物質(zhì)形態(tài)已經(jīng)產(chǎn)生,其中在大橫動量區(qū)域出現(xiàn)的噴注淬火(JetQuenching)現(xiàn)象是QGP物質(zhì)產(chǎn)生的一個強有力的證據(jù)。在高能核-核碰撞初期,硬散射過程產(chǎn)生的高能部分子噴注在穿過QGP介質(zhì)時遭遇介質(zhì)內(nèi)的部分子多重散射,從而誘導輻射膠子而損失能量,最后碎裂成的末態(tài)強子譜與相同能量下核子-核子碰撞的末態(tài)強子譜比較,存在明顯的壓低,這一現(xiàn)象便是噴注淬火效應。末態(tài)大橫動量強子譜的壓低反映的噴注淬火現(xiàn)象不僅能夠很好地檢驗微擾量子色動力學(pQCD)的理論預言,還能夠幫助人們理解QGP物質(zhì)的時空演化,從而成為相對論重離子碰撞研究的一個熱點方向,受到了理論學家和實驗學家們的廣泛關(guān)注和重視。隨著高能核物理實驗從RHIC到LHC的運行,核-核碰撞的質(zhì)心系能量越來越高,實驗數(shù)據(jù)的積累也越來越豐富,目前針對夸克、膠子物質(zhì)敏感的噴注淬火硬探針信號的研究已經(jīng)進入到一個更精細的定量研究時期。本文基于次領頭階pQCD部分子模型,采用3+1維理想流體力學對QGP介質(zhì)的模擬以及由pQCD高扭度框架給出噴注能量損失的理論研究,通過計算RHIC/LHC能區(qū)核-核對心和非對心碰撞中末態(tài)大橫動量單強子譜和雙強子譜的產(chǎn)生以及分析強子譜的壓低,定量研究高能噴注硬探針在QGP介質(zhì)傳播過程中的能量損失。由于通過噴注能量損失了解夸克、膠子物質(zhì)硬探針信號的一個重要技術(shù)手段是提取和分析噴注能量損失參數(shù)或噴注輸運參數(shù),因此本文關(guān)于高能核-核碰撞中噴注淬火效應的定量研究主要包括以下三個方面提取和分析噴注能量損失參數(shù)的內(nèi)容。首先我們定量計算并分析了RHIC能區(qū)金-金對心碰撞和LHC能區(qū)鉛-鉛對心碰撞中高能部分子噴注的輸運性質(zhì)。理論計算表明,噴注單位長度橫動量展寬的方均值即輸運參數(shù)以及噴注的平均自由程是反映高能部分子噴注在QGP介質(zhì)中傳播的輸運性質(zhì)的兩個重要物理量。本文基于次領頭階pQCD部分子模型,考慮到噴注的能量損失對末態(tài)部分子碎裂函數(shù)的有效修正所引入的噴注輸運參數(shù)或能量損失參數(shù)以及平均自由程,從而能夠同時提取和分析噴注輸運參數(shù)q和噴注的平均自由程入。我們計算了在RHIC和LHC能區(qū)下對心核-核碰撞中末態(tài)大橫動量單強子譜的核壓低因子RAA,通過與實驗數(shù)據(jù)進行χ2/d.o.f擬合,同時提取了在初始時間T0時核-核碰撞中心處的初始噴注輸運參數(shù)q0值和初態(tài)平均自由程λλ0值。我們得到的RHIC和LHC能區(qū)的初始噴注輸運參數(shù)q0值與當前JET國際合作組用其它理論模型得到的結(jié)果一致,而且我們關(guān)于初態(tài)平均自由程λ0的提取值表明實驗數(shù)據(jù)更“喜歡”噴注在QGP介質(zhì)中發(fā)生的散射在單次散射極限和多次散射極限兩種可能性之間,這個結(jié)論為學術(shù)上應該采取單次散射近似還是多次散射近似的爭論給出了不同的判斷。另外,我們利用提取出的初始噴注輸運參數(shù)q0值和初態(tài)平均自由程λ0值,定量地給出了高能部分子噴注在QGP介質(zhì)傳播過程中的橫動量展寬的較小值,證明高能部分子噴注在介質(zhì)中發(fā)生多重散射時幾乎不改變路徑,沿著直線傳播,這與人們通常采取的近似是一致的。然后我們定量計算并分析了RHIC能區(qū)金-金非對心碰撞和LHC能區(qū)鉛-鉛非對心碰撞中末態(tài)單強子譜和雙強子譜的壓低。在上述工作中,噴注輸運參數(shù)和噴注平均自由程并不是彼此嚴格獨立的物理量,我們的數(shù)值結(jié)果表明它們彼此之間存在一定的關(guān)聯(lián),因此我們采用PQCD高扭度框架最近關(guān)于部分子噴注平均散射數(shù)目的理論研究改進了我們的理論模型,這樣吸收了平均自由程物理量的多重散射次數(shù)直接與噴注輸運參數(shù)關(guān)聯(lián)起來。我們計算了RHIC/LHC能區(qū)下不同對心度核-核碰撞中單強子譜的核壓低因子RAA和雙強子譜的核壓低因子IAA,通過與實驗數(shù)據(jù)進行χ2/d.o.f擬合,全面綜合地提取了RHIC/LHC能區(qū)噴注輸運參數(shù)的初始值q0。這些結(jié)果與我們前面工作的結(jié)論一致,一方面證明在末態(tài)單強子譜和雙強子譜的產(chǎn)生中噴注淬火效應描述的一致性,另一方面也表明在對心碰撞和非對心碰撞中噴注淬火效應描述大橫動量強子譜的壓低也具有一致性。另外,我們在3+1維理想流體力學對QGP介質(zhì)時空演化描述的基礎上計算的RHIC/LHC能區(qū)非對心核-核碰撞中核壓低因子的數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致,一方面證明越對心碰撞,產(chǎn)生的QGP的體積越大,壽命越長,另一方面也證明越對心碰撞,噴注的能量損失越大,即噴注能量損失與QGP的體積和壽命有關(guān)。我國將來可能在CEPC-SPPC上運行更高能量的核-核碰撞實驗來研究QGP相變,本文預研了30TeV和100TeV能量下核-核碰撞中末態(tài)單強子譜的核壓低因子,并給出了參考值范圍。最后我們研究了QGP介質(zhì)溫度的時空演化對噴注輸運參數(shù)的影響,并相應提取了噴注的輸運參數(shù)。在上述兩個工作中,我們假定了噴注輸運參數(shù)和介質(zhì)溫度的三次方成正比,但是最近的實驗數(shù)據(jù)和理論研究表明,噴注輸運參數(shù)除了與溫度三次方的依賴關(guān)系外,還可能存在額外的溫度依賴關(guān)系。為此,我們假定（？）/T3與溫度T成線性關(guān)系,引入臨界溫度Tc=170MeV時的辱c和碰撞系統(tǒng)最高溫度Th(如RHIC能量Th=373McV)時的靠兩個輸入值。利用次領頭階pQCD部分子模型,我們計算了高能核-核碰撞中末態(tài)強子譜的核壓低因子RAA和橢圓流參數(shù)v2,通過結(jié)合核壓低因子和橢圓流參數(shù)兩者實驗數(shù)據(jù)進行擬合,我們提取的與實驗數(shù)據(jù)符合較好的qc和qh數(shù)值結(jié)果表明,在臨界相變溫度Tc=170MeV附近（？）/T3出現(xiàn)了峰值,與（？）/T3為常數(shù)情形相比,噴注在傳播過程中能量損失的峰值向臨界相變溫度附近移動。噴注輸運參數(shù)這種額外的溫度依賴關(guān)系,將增強高能部分子噴注能量損失的各向異性,有可能進一步幫助我們加深對大橫動量強子橢圓流的理解。我們的研究提交了重新標度的噴注輸運參數(shù)（？）/T3對QGP介質(zhì)溫度依賴的各種可能性,實驗數(shù)據(jù)“選擇”了在臨界相變溫度附近（？）/T3有明顯增強的結(jié)論,這是與目前相關(guān)問題其它研究不同的一個嶄新視角。
【學位授予單位】：華中師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O571.6

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本文編號：1327165