強(qiáng)子橢圓流作為探測(cè)QCD臨界點(diǎn)和相邊界的信號(hào)以及選擇長(zhǎng)壽命高密相UU碰撞.pdf

1、幾千年以來，人類的好奇心驅(qū)使我們一直在問同樣的問題：組成我們物質(zhì)世界的最基本物質(zhì)是什么?它們是通過什么樣的方式組成我們的世界的?1883年，英國(guó)科學(xué)家道爾頓展了古希臘哲學(xué)家德謨克利特的樸素原子學(xué)說，提出物質(zhì)是由原子組成的。隨著近代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對(duì)微觀世界的探索不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)原子是由處于最中心的帶正電的原子核和它外圍的帶負(fù)電的電子組成的，原子核內(nèi)包括帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子。隨后，通過電子打核子的深度非彈實(shí)驗(yàn)，人們認(rèn)識(shí)到這

2、些粒子可能有更基本的組成，這就是夸克和膠子。但是一直以來，人們并不曾觀察到自由存在的孤立夸克。一種自然的解釋是夸克通過相互作用被禁閉在強(qiáng)子里，這種相互作用稱為強(qiáng)相互作用。描述強(qiáng)相互作用的理論-量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)指出所有參與強(qiáng)相互作用的基本粒子都是夸克q和反夸克((-q))的束縛態(tài)。在通常條件下，我們所觀察到的QCD物質(zhì)都是以強(qiáng)子氣體形式存在的。
　　 有兩種可能打破強(qiáng)子束縛的途徑，一是：將強(qiáng)子物質(zhì)壓縮，即增大核子物質(zhì)密度，使

3、強(qiáng)子口袋相互重疊而破裂，這樣夸克和膠子就能在較大的空間范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；另一種方法將系統(tǒng)加熱，使溫度升高到足夠高，真空中會(huì)產(chǎn)生很多正反夸克對(duì)，大量的夸克膠子發(fā)生激烈碰撞，從而可能形成夸克和膠子在較大范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。格點(diǎn)QCD理論預(yù)言，在極高的溫度或者高重子數(shù)密度下，強(qiáng)子物質(zhì)(夸克的禁閉相)會(huì)解禁閉形成其解禁閉相——夸克膠子等離子體(Quark Gluon Plasma-QGP)。進(jìn)一步的數(shù)值計(jì)算顯示，在臨界溫度Tc～160MeV(零密度

4、)或物質(zhì)密度5～10倍正常核物質(zhì)密度(零溫度)時(shí)會(huì)發(fā)生QGP相變。
　　 夸克膠子等離子體可能存在于宇宙大爆炸早期階段(很高的溫度)以及中子星(重子數(shù)密度很高)內(nèi)。然而這兩種情況要么發(fā)生在過去，要么距離我們太遙遠(yuǎn)，沒有辦法去直接測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)室，通過電磁場(chǎng)加速，我們讓兩束重離子以高速進(jìn)行對(duì)撞，從而生成能量密度比較高并且壽命比較長(zhǎng)的強(qiáng)相互作用物質(zhì)，QGP有可能在這種情況下出現(xiàn)。重離子碰撞的主要目的之一就是希望在實(shí)驗(yàn)室條件下達(dá)到QGP

5、相變所需要的高溫高密環(huán)境，研究極端條件下的物質(zhì)性質(zhì)。從早期的伯克力(Berkeley/Bevalac)到歐洲核子中心(CERN)的超級(jí)質(zhì)子同步加速器(SPS)，以及布魯克海文實(shí)驗(yàn)室(BNL)的交變梯度同步加速器(AGS)和相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)，人們已經(jīng)對(duì)高溫下的物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行了很多卓有成效的研究。
　　 實(shí)驗(yàn)上，我們只能測(cè)得末態(tài)的強(qiáng)子分布，希望通過末態(tài)強(qiáng)子說攜帶的信息尋找夸克膠子等離子體存在的信號(hào)?！凹w行為”是指在一次

6、碰撞事件中所觀察到的多個(gè)粒子的共同性質(zhì)，它是一種可能的信號(hào)。它源于中心快度區(qū)形成的火球從中心到邊緣的密度梯度。我們稱大量的粒子具有相同的運(yùn)動(dòng)方向和速度為“集體流”。按照方向的不同，流可分為“縱向流”和“橫向流”?！皺M向流”又能分為“徑向流”和“各向異性流”。各種流是整個(gè)集體流在不同物理圖像方面的表現(xiàn)形式。
　　 在非對(duì)心碰撞中(碰撞參數(shù)b≠0)，“反應(yīng)平面”被定義為碰撞參數(shù)和束流方向所決定的平面。系統(tǒng)初始坐標(biāo)空間中的方位角各向異

7、性在橫向平面(垂直于反應(yīng)平面)有一個(gè)類似橢圓的形狀，密度梯度在橢圓短軸上比長(zhǎng)軸上大，碰撞重疊區(qū)域粒子頻繁的相互作用把密度梯度轉(zhuǎn)化為壓力梯度，導(dǎo)致壓力梯度在橢圓短軸方向比長(zhǎng)軸上大，表現(xiàn)為橢圓短軸上有較大的“徑向流”。又由于這些粒子運(yùn)動(dòng)速度在兩個(gè)不同方向的差別，橢圓長(zhǎng)軸和短軸之間的壓力梯度差將不斷減小。因而，“各向異性流”產(chǎn)生并發(fā)展于系統(tǒng)的早期，反映了系統(tǒng)的早期性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)上，我們用末態(tài)粒子在橫向平面上的方位角分布的傅立葉展開來描述動(dòng)量空間的

8、各向異性，傅立葉展開的系數(shù)就是“各向異性流”參數(shù)，第二諧波系數(shù)對(duì)應(yīng)于橢圓的方位角分布，也稱為“橢圓流”參數(shù)v2。
　　 RHIC實(shí)驗(yàn)對(duì)各向異性橢圓流參數(shù)v2測(cè)量已經(jīng)有了很多結(jié)果。在其最高質(zhì)心能量√SNN=200GeV下，在低橫動(dòng)量區(qū)，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了流體力學(xué)所預(yù)言的強(qiáng)子質(zhì)量順序性，它表明在AuAu碰撞中產(chǎn)生的物質(zhì)是具有極低粘滯性的“液態(tài)”流體系統(tǒng)，并且已經(jīng)形成了部分子層次的集體運(yùn)動(dòng)；在中間橫動(dòng)量區(qū)，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到強(qiáng)子的組分夸克數(shù)目標(biāo)

9、度性，它表明系統(tǒng)達(dá)到了解禁閉態(tài)。另外，多重奇異粒子橫動(dòng)量分布和橢圓流的結(jié)果暗示了系統(tǒng)可能已經(jīng)達(dá)到了部分子層次的熱化。值得注意的是，在RHIC能區(qū)，關(guān)于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)熱化的討論直到現(xiàn)在還沒有明確的結(jié)論。流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果假設(shè)系統(tǒng)是理想流體，并成功的重復(fù)了RHIC能區(qū)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，基于對(duì)帶電粒子v2/εpart的討論暗示了，在RHIC能區(qū)系統(tǒng)可能在中心碰撞中達(dá)到了熱化。
　　 在不改變束流碰撞能量的情況下，用UU代替AuAu碰撞是

10、驗(yàn)證系統(tǒng)是否熱化的一種有效手段。理論上，在完全對(duì)心的條件下，UU比AuAu碰撞系統(tǒng)沉積的能量要高30％。這說明在UU碰撞里有更頻繁更激烈的相互作用，系統(tǒng)更容易達(dá)到熱化。這對(duì)研究部分子物質(zhì)的熱化性質(zhì)是非常有幫助的。RHIC已經(jīng)計(jì)劃2012年實(shí)施部分UU碰撞。德國(guó)GSI/SIS300也在計(jì)劃實(shí)施30AGeV的UU碰撞實(shí)驗(yàn)，中國(guó)蘭州的HIFRL-CSR主環(huán)外靶實(shí)驗(yàn)也在計(jì)劃實(shí)施束流能量Eb/A=0.52GeV的UU碰撞。雖然早些年，就有人提出要

11、在高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)上實(shí)施UU碰撞，但是相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)一直沒有展開實(shí)施?？紤]到，238U核是自然界最大的穩(wěn)定形變核，其在初始坐標(biāo)空間具有長(zhǎng)橢球幾何外形。當(dāng)沿著不同的軸向發(fā)生UU碰撞時(shí)，相互作用的強(qiáng)度和時(shí)間是非常不一樣的，特別是在兩種極端方位——頭頭和體體碰撞下。在CSR能區(qū)，前者在碰撞過程中產(chǎn)生的高密物質(zhì)壽命大約是后者的兩倍。如此長(zhǎng)時(shí)間的相互作用，有利于熱平衡的實(shí)現(xiàn)。因此，我們最希望能在頭頭UU碰撞里面看到明顯的熱化性質(zhì)。
　　 對(duì)

12、于，激化靶實(shí)驗(yàn)，我們可以直接選擇激化的方向來實(shí)現(xiàn)特定方位的UU碰撞；但是對(duì)于非激化U核，射彈和靶在反應(yīng)平面具有隨機(jī)的碰撞方位。如何通過選取末態(tài)的某些課測(cè)量物理量或可觀察量，判選出我們所希望的頭頭UU碰撞事件，將是研究頭頭UU碰撞下高密物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)鍵。在這篇論文里，我們模擬并研究了在CSR能區(qū)形變核UU碰撞，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了碰撞方位對(duì)重子物質(zhì)密度的影響，通過試探，找到了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)上的可測(cè)量物理量-前向中子數(shù)和核阻止本領(lǐng)，分別用作快速在線分析和離線

13、分析，從而最終得到所期望的包含大部分的頭-頭UU碰撞事件的子樣本。我們也希望，有關(guān)UU碰撞方位對(duì)末態(tài)測(cè)量量的影響的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究，能為將來在高能下實(shí)施UU碰撞實(shí)驗(yàn)，提供有益的參考。
　　 最近，有限溫度格點(diǎn)規(guī)范理論給出的QCD相圖是：在低溫高重子化學(xué)勢(shì)區(qū)，QGP相和強(qiáng)子相之間是一級(jí)相變；隨著溫度的升高和重子化學(xué)勢(shì)的降低，一級(jí)相變曲線在臨界點(diǎn)終止；在更高溫度和更低化學(xué)勢(shì)條件下，QGP相和強(qiáng)子相之間平滑過渡(crossover)。理

14、論估計(jì)，在RHIC(以及將來的LHC)高能區(qū)，凈重子化學(xué)勢(shì)低，從強(qiáng)子物質(zhì)到QGP的轉(zhuǎn)變是平滑過渡。為學(xué)習(xí)相圖，在2010年4月，RHIC將實(shí)施RHIC/STAR低能掃描(BES)實(shí)驗(yàn)，其目標(biāo)就是為了尋找QCD相圖上的一級(jí)相變相邊界和臨界終止點(diǎn)。其能量掃描范圍大約是√sNN=5～30GeV。簡(jiǎn)單的測(cè)試(√sNN=9.2GeV)已經(jīng)在2008年秋實(shí)施，實(shí)驗(yàn)上僅僅得到約3，000個(gè)可利用的AuAu最小無偏事件。粒子產(chǎn)額、譜以及強(qiáng)子流等的分析，

15、顯示了與早先的AGS能區(qū)相似的結(jié)果。
　　 關(guān)于在臨界終止點(diǎn)高密物質(zhì)的性質(zhì)，目前還沒有理論能給出明確的預(yù)言。有兩個(gè)最有可能用于判斷是否出現(xiàn)臨界點(diǎn)和相邊界的信號(hào)—凈重子起伏和強(qiáng)子橢圓流。前者認(rèn)為，在臨界終止點(diǎn)，可能會(huì)遭遇非常強(qiáng)烈的動(dòng)力學(xué)起伏；后者認(rèn)為，在RHIC能區(qū)看到的強(qiáng)子橢圓流的組分夸克標(biāo)度性是部分子特有的行為，對(duì)于僅僅只有強(qiáng)子物質(zhì)相互作用的系統(tǒng)，這種標(biāo)度行為將不會(huì)出現(xiàn)。特別是多重奇異粒子φ，其組分是s(-s)。由于s夸克與輕

16、夸克較小的相互作用界面，這些φ將直接從碰撞早期產(chǎn)生，并且不參與或者不完全參與輕夸克的集體行為，其強(qiáng)子橢圓流將比普通強(qiáng)子要小，甚至為0。因此在低能一級(jí)相轉(zhuǎn)變區(qū)域，強(qiáng)子橢圓流的標(biāo)度性將不成立。
　　 在這篇論文里，我們通過研究√sNN=9.2GeVAuAu下強(qiáng)子橢圓流參數(shù)，提出強(qiáng)子橢圓流的組分夸克標(biāo)度性可以用來作為尋找QCD一級(jí)相變相邊界和臨界終止點(diǎn)的有效探針，特別是多重奇異粒子φ。如果實(shí)驗(yàn)上，做一個(gè)從低能到高能的逐點(diǎn)掃描，在部分子