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相对论重离子碰撞中各向异性流及其涨落和事件平面关联的研究

相对论重离子碰撞中各向异性流及其涨落和事件平面关联的研究

引用

作者：肖凯华中师范大学

学位级别：博士

量子色动力学预言在极高温度和极高重子密度的环境中能够产生新的物质形态,新物质是由大量的夸克、反夸克和胶子组成的夸克胶子等离子体,存在于宇宙大爆炸早期。一直以来,人们并没有观测到自由存在的夸克,量子色动力学指出夸克和胶子之... 详细信息

量子色动力学预言在极高温度和极高重子密度的环境中能够产生新的物质形态,新物质是由大量的夸克、反夸克和胶子组成的夸克胶子等离子体,存在于宇宙大爆炸早期。一直以来,人们并没有观测到自由存在的夸克,量子色动力学指出夸克和胶子之间通过强相互作用禁闭在强子内部。为了使夸克突破强子束缚,李政道等人提出利用相对论重离子碰撞实验模拟宇宙大爆炸早期,形成极高温度和极高密度的环境,夸克胶子等离子体有可能在这样的环境中产生。从早期的劳伦斯-伯克利实验室的高能重离子加速器(Bevala),到欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器(SPS),到布鲁克海文实验室的交变梯度同步加速器(AGS)以及相对论重离子对撞机(RHIC),再到欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC),人们对相对论重离子碰撞产生的新物质形态进行了努力探索。非对心核核碰撞重叠区域呈现为椭球形状,在位形空间是各向异性的,由于组分之间的相互作用,碰撞系统迅速地向外膨胀,初始几何各向异性转换为动量空间的各向异性,我们将末态粒子方位角分布傅立叶展开式的第二阶系数v2定义为椭圆流参数。椭圆流形成于碰撞早期,因而与系统早期的动力学紧密联系。RHIC实验发现低横动量区的椭圆流表现为流体力学预言的质量顺序性,这意味着新物质是具有极低粘滞性的“液态”流体系统；中间横动量区的椭圆流呈现组分夸克数目标度性,这说明碰撞系统达到了解禁闭态,形成了部分子层次的集体运动。碰撞重叠区域横向平面上核子位形涨落有可能导致核子分布形成三角形状,组分之间的相互作用将这种初始几何各向异性转换为动量空间的各向异性,我们将末态粒子方位角分布傅立叶展开式的第三阶系数v3定义为三角流参数。三角流为获取碰撞早期的物理信息扮演了重要的角色,研究表明三角流更敏感于碰撞系统的粘滞系数(η/s),而且对双强子关联形成的rige和double peak结构有贡献,因而,研究相对论重离子碰撞产生的三角流同样具有重大意义。基于AMPT string melting模型,我们系统分析了不同碰撞系统中的椭圆流和三角流、椭圆流涨落以及事件平面关联。在这篇论文中,我们首先研究了Au+Au和Cu+Cu中的椭圆流和三角流。结果表明,三角流不敏感于碰撞中心度和碰撞系统,这明显区别于椭圆流的行为。扣除初始几何效应后,越中心碰撞,V2/ε2和V3/ε3的值越大,这表明越中心碰撞它们的集体运动越强；相同条件下,v2/ε2的值明显大于v3/ε3,说明ε2通过组分之间相互作用转换给V2的效率要大于S3的效率。在低横动量区域,Au+Au和Cu+Cu碰撞系统中的三角流同时呈现质量顺序性,这意味着虽然三角流和椭圆流的形成机制不一样,但是它同样具有流体动力学表现行为。然后,我们系统研究了逐事件椭圆流涨落来源。固定碰撞参数下,我们发现具有相同ε2的事件椭圆流的值并不是唯一的,呈现很大的涨落行为,这表明逐事件椭圆流涨落并不完全是由ε：的涨落引起,除了椭圆流统计涨落外,还有可能存在其它的动力学涨落来源。结果表明,初始位形涨落与ε2涨落对椭圆流形成同等重要。组分之间相互作用的量子涨落对椭圆流涨落也有贡献,我们发现部分子相互作用、部分子强子化和强子再散射过程引起的椭圆流涨落为负值,这说明这些过程会使椭圆流的分布变窄。如果该结论在真实的数据中存在,那么椭圆流的测量值可能被高估。最后我们研究了前向和后向赝快度区域的事件平面关联。结果显示前向和后向赝快度区域的三角流事件平面呈现反关联,这可能是由前向和后向赝快度区域的核子分布几何形状决定的。经过事件平面分辨率修正后的事件平面关联强度随着赝快度间隔的增大而逐渐减小,这意味着事件平面去相关性不仅仅是由统计涨落造成的,存在着其它的物理——不同赝快度区域的事件平面确实是不一样的。事件平面去相关性可能预示着赝快度间隔△77方法测量各向异性流存在缺陷。赝快度间隔△η能同时减少非流贡献和增强事件平面去相关性,而事件平面去相关性一直以来被人们所忽视,因而间隔△77方法可能低估了各向异性流的测量值。如果事件平面去相关性在实验数据中存在,QGP粘滞系数将被高估,QGP比我们认为的要更“完美”。

关键词：相对论重离子碰撞夸克胶子等离子体初始几何各向异性椭圆流三角流涨落事件平面关联

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相对论重离子碰撞中的自旋与手征动力学研究

相对论重离子碰撞中的自旋与手征动力学研究

引用

作者：韩章柱中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

学位级别：博士

在宇宙大爆炸模型中,夸克-胶子等离子体（QGP）可能存在于早期宇宙的演化过程中。在过去的二?几年,物理学家们利用欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）和美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）进行高... 详细信息

在宇宙大爆炸模型中,夸克-胶子等离子体（QGP）可能存在于早期宇宙的演化过程中。在过去的二?几年,物理学家们利用欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）和美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）进行高能原子核碰撞实验,最终制造出了夸克-胶子等离子体新物质形态。研究夸克-胶子等离子体的特性是相对论重离子碰撞实验的主要目的之一,其中粒子的自旋极化与一系列的部分子手征反常效应是目前高能物理研究的热点。早期与夸克、强子自旋极化相关的理论指出,在非对心重离子碰撞中,部分子将沿系统总角动量的方向发生自旋极化并在强子化后引起强子的自旋极化。例如,Lambda超子与反Lambda超子的自旋极化在一定程度上就分别由奇异夸克和反奇异夸克的自旋极化决定。STAR实验合作组通过RHIC研究了不同金金碰撞能量下的Lambda与反Lambda超子的自旋极化,实验结果发现粒子的自旋极化随碰撞能量的增加而减小,并且发现反Lambda超子与Lambda超子的自旋极化会产生劈裂。后续的理论与物理模型计算也验证了自旋极化的能量依赖性,但并未对自旋极化劈裂有深入的研究。在相对论重离子碰撞中,旁观者质子会产生很强的电磁场,QGP在强电磁场作用下,可能会产生一系列的手征反常效应。STAR实验合作组也一直在探测相对论重离子碰撞中的手征反常效应,但由于各种各样的背景,实验数据的分析结果并不足以支撑手征反常效应存在的可靠性与真实性。因此,利用输运模型研究相对论重离子碰撞中的自旋和手征动力学就显得尤为重要。在本文中,我们拓展了多相输运（AMPT）模型,用手征动力学方程描述无质量部分子在矢量势下的演化。基于该输运模型,我们研究了在旁观者质子贡献的磁场以及夸克-反夸克矢量相互作用下,不同种类的夸克与反夸克的自旋极化。与在真空中的磁场下得到的结果相比,考虑QGP对外磁场的响应得到的部分子的自旋极化劈裂效应更强,但同时奇异夸克和反奇异夸克的自旋极化也敏感于夸克-反夸克矢量相互作用,所以可以由Lambda超子和反Lambda超子的自旋极化劈裂程度间接测度相对论重离子碰撞中产生的磁场的强度这一观点也就受到了挑战。另外,STAR实验合作组在RHIC质心系能量为7.7GeV时,发现Lambda超子与反Lambda超子的自旋极化会产生很大的劈裂,但是在该能量下,基于目前的部分子的动力学输运模型,我们根本没有办法得到可以与实验结果比拟的自旋极化劈裂。除了夸克与反夸克的自旋极化外,我们还基于拓展后的AMPT模型研究了质心系能量为200GeV时的非对心金核-金核碰撞中的反上夸克和上夸克以及π-介子和π+介子的椭圆流的差异。由于初始的部分子相空间分布中速度和坐标的关联,我们在可得到的统计内,通过线性拟合得到的反上夸克和上夸克的椭圆流差异关于电荷不对称度的斜率是负的。此外,质心系能量为200GeV时,考虑QGP对外磁场的响应时得到的反Lambda超子与Lambda超子的自旋极化劈裂比实验大,后者与我们在真空中的磁场下得到的自旋极化劈裂的结果更一致。考虑到磁场、夸克-反夸克相互作用、强子化、以及强子相演化的不确定性,直接将实验上观测到的椭圆流差异关于电荷不对称度的斜率是正值的原因归结于手征磁波效应是不可信服的。我们在拓展后的AMPT模型里加入的磁场的时空演化目前是相对完善的,而且我们自恰地将夸克-反夸克相互作用势放入了部分子输运模型中,考虑了该矢量势对自旋和手征动力学的影响。在研究正负电荷粒子的椭圆流差异与电荷不对称度的关系时,我们分析了碰撞过程中不同阶段的结果。综合来说,我们基于现有理论框架比较完整地研究了在磁场和夸克-反夸克矢量势作用下相对论重离子中的自旋与手征动力学。

关键词：相对论重离子碰撞自旋极化椭圆流手征反常

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相对论重离子碰撞中喷注淬火效应的定量研究

相对论重离子碰撞中喷注淬火效应的定量研究

引用

作者：刘志全华中师范大学

学位级别：博士

自上世纪七十年代一种新的物质形态一夸克-胶子等离子体(QGP)被预言以来,在实验室条件下开展极端相对论重离子碰撞实验形成高温高密的热核环境是产生和研究QGP物质有效而重要的手段。QGP物质被认为是宇宙大爆炸初期的产物,因此对QGP物... 详细信息

自上世纪七十年代一种新的物质形态一夸克-胶子等离子体(QGP)被预言以来,在实验室条件下开展极端相对论重离子碰撞实验形成高温高密的热核环境是产生和研究QGP物质有效而重要的手段。QGP物质被认为是宇宙大爆炸初期的产物,因此对QGP物质的研究将深远地影响人们对宇宙的演化、星体的形成与性质以及物质的微观结构与相互作用等多方面的认识。在极端相对论重离子碰撞实验中,QGP物质只存在于碰撞早期的极短暂时间内,如何根据碰撞后产生的末态强子信息来判断QGP物质的产生以及研究其性质,是高能核物理领域一个极其重要的课题。经过几代物理学家持续不懈的努力,在美国布鲁海汶国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)和欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)上相继开展了高能核-核碰撞实验,大量的实验数据表明QGP这一全新物质形态已经产生,其中在大横动量区域出现的喷注淬火(JetQuenching)现象是QGP物质产生的一个强有力的证据。在高能核-核碰撞初期,硬散射过程产生的高能部分子喷注在穿过QGP介质时遭遇介质内的部分子多重散射,从而诱导辐射胶子而损失能量,最后碎裂成的末态强子谱与相同能量下核子-核子碰撞的末态强子谱比较,存在明显的压低,这一现象便是喷注淬火效应。末态大横动量强子谱的压低反映的喷注淬火现象不仅能够很好地检验微扰量子色动力学(pQCD)的理论预言,还能够帮助人们理解QGP物质的时空演化,从而成为相对论重离子碰撞研究的一个热点方向,受到了理论学家和实验学家们的广泛关注和重视。随着高能核物理实验从RHIC到LHC的运行,核-核碰撞的质心系能量越来越高,实验数据的积累也越来越丰富,目前针对夸克、胶子物质敏感的喷注淬火硬探针信号的研究已经进入到一个更精细的定量研究时期。本文基于次领头阶pQCD部分子模型,采用3+1维理想流体力学对QGP介质的模拟以及由pQCD高扭度框架给出喷注能量损失的理论研究,通过计算RHIC/LHC能区核-核对心和非对心碰撞中末态大横动量单强子谱和双强子谱的产生以及分析强子谱的压低,定量研究高能喷注硬探针在QGP介质传播过程中的能量损失。由于通过喷注能量损失了解夸克、胶子物质硬探针信号的一个重要技术手段是提取和分析喷注能量损失参数或喷注输运参数,因此本文关于高能核-核碰撞中喷注淬火效应的定量研究主要包括以下三个方面提取和分析喷注能量损失参数的内容。首先我们定量计算并分析了RHIC能区金-金对心碰撞和LHC能区铅-铅对心碰撞中高能部分子喷注的输运性质。理论计算表明,喷注单位长度横动量展宽的方均值即输运参数以及喷注的平均自由程是反映高能部分子喷注在QGP介质中传播的输运性质的两个重要物理量。本文基于次领头阶pQCD部分子模型,考虑到喷注的能量损失对末态部分子碎裂函数的有效修正所引入的喷注输运参数或能量损失参数以及平均自由程,从而能够同时提取和分析喷注输运参数q和喷注的平均自由程入。我们计算了在RHIC和LHC能区下对心核-核碰撞中末态大横动量单强子谱的核压低因子RAA,通过与实验数据进行χ2/d.o.f拟合,同时提取了在初始时间T0时核-核碰撞中心处的初始喷注输运参数q0值和初态平均自由程λλ0值。我们得到的RHIC和LHC能区的初始喷注输运参数q0值与当前JET国际合作组用其它理论模型得到的结果一致,而且我们关于初态平均自由程λ0的提取值表明实验数据更“喜欢”喷注在QGP介质中发生的散射在单次散射极限和多次散射极限两种可能性之间,这个结论为学术上应该采取单次散射近似还是多次散射近似的争论给出了不同的判断。另外,我们利用提取出的初始喷注输运参数q0值和初态平均自由程λ0值,定量地给出了高能部分子喷注在QGP介质传播过程中的横动量展宽的较小值,证明高能部分子喷注在介质中发生多重散射时几乎不改变路径,沿着直线传播,这与人们通常采取的近似是一致的。然后我们定量计算并分析了RHIC能区金-金非对心碰撞和LHC能区铅-铅非对心碰撞中末态单强子谱和双强子谱的压低。在上述工作中,喷注输运参数和喷注平均自由程并不是彼此严格独立的物理量,我们的数值结果表明它们彼此之间存在一定的关联,因此我们采用PQCD高扭度框架最近关于部分子喷注平均散射数目的理论研究改进了我们的理论模型,这样吸收了平均自由程物理量的多重散射次数直接与喷注输运参数关联起来。我们计算了RHIC/LHC能区下不同对心度核-核碰撞中单强子谱的核压低因子RAA和双强子谱的核压低因子IAA,通过与实验数据进行χ2/d.o.f拟合,全面综合地提取了RHIC/LHC能区喷注输运参数的初始值q0。这些结果与我们前面工作的结论一致,一方面证明在末态单强子谱和双强子谱的产生中喷注淬火效应描述的一致性,另一方面也表明在对心碰撞和非对心碰撞中喷注淬火效应描述大横动量强子谱的压低也具有一

关键词：相对论重离子碰撞夸克-胶子等离子体喷注淬火微扰量子色动力学部分子模型流体力学模型高扭度方法能量损失喷注输运参数平均自由程强子谱核压低因子椭圆流

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相对论重离子碰撞中整体喷注观测量的研究

相对论重离子碰撞中整体喷注观测量的研究

引用

作者：陈时勇华中师范大学

学位级别：博士

描述强相互作用的量子色动力学理论认为,自然条件下组成物质的基本粒子夸克和胶子被禁闭在强子中,但是在极端高温高密条件下会解禁闭形成一种新的物质形态-夸克胶子等离子体(QGP)。在实验室中创造这种极端条件的手段是相对论重离子碰撞... 详细信息

描述强相互作用的量子色动力学理论认为,自然条件下组成物质的基本粒子夸克和胶子被禁闭在强子中,但是在极端高温高密条件下会解禁闭形成一种新的物质形态-夸克胶子等离子体(QGP)。在实验室中创造这种极端条件的手段是相对论重离子碰撞。找到夸克解禁闭的相变临界点并研究这一新物质形态的性质,一直是重离子物理理论和实验工作的热点。碰撞过程中QGP存在的时间极短,在当前实验条件下无法直接观测。经过几十年理论和实验的积累,人们发展了一系列间接研究QGP的探针,其中一个就是“喷注淬火”效应,即碰撞初期产生的快速部分子在穿越核介质时损失能量的现象,它不仅可以体现在重离子碰撞中领头强子产额的压低,还可修正整体喷注观测量。相较于领头强子,整体喷注由于携带更多物理信息是更具优势的观测量。本文中,我们系统的研究了喷注淬火效应对多个整体喷注观测量的核修正。在重离子碰撞中,初态冷核效应和末态喷注淬火效应都会对观测量造成影响。为了不受干扰的研究喷注淬火效应,我们单独计算了多个碰撞对心度区间冷核物质效应对领头强子和单举整体喷注产额的修正,结果发现从对心到边缘碰撞,冷核物质效应逐渐减弱,对我们之后研究喷注淬火效应修正的整体喷注观测量具有指导意义。紧接着,我们研究了重离子碰撞中整体喷注形状的核修正,发现核环境中整体喷注的形状与介质诱导辐射胶子的角分布直接相关,通过与CMS实验测量值对比,我们验证了多个辐射胶子的角分布模型,发现角分布倾向于dNg/dθ∝1/√θ。以此角分布模型描述介质诱导辐射的胶子,我们预测了未来超高能级重离子碰撞中整体喷注形状的核修正,以及不同尺寸重建的单举整体喷注产额的核修正,结果都表明更高能级重离子碰撞中整体喷注产额和形状的核修正与此前LHC能级中的结果接近。在同一理论框架下,我们还计算了重离子碰撞中W玻色子标记喷注产额的核修正,W玻色子标记喷注产生的微分散射截面在小横动量区域被抬升,而在大横动量区域被压低。此外,喷注的平均电荷可以完全区分夸克喷注和胶子喷注,为我们研究部分子能量损失的味道依赖提供了可能。我们首次计算了重离子碰撞中整体喷注的平均电荷。发现,相较于质子-质子碰撞,整体喷注的平均电荷值有大约20%的抬升。为了分析这一核修正的来源,我们计算了夸克喷注平均电荷的核修正因子,结果表明夸克喷注的平均电荷几乎不受核效应的影响。在我们的计算模型中,夸克喷注和胶子喷注由于各自的色因子不同而损失不同的能量,△Eq/△Eg=4/9,胶子喷注损失更多的能量导致末态观测到的同一能量区间的整体喷注中夸克喷注所占的份额增加,体现在观测量中则是使整体喷注的平均电荷值增加。因此整体喷注平均电荷的核修正仅来自于核效应对夸克和胶子相对份额的修正。我们进一步假设△Eq/△Eg=1,即夸克喷注和胶子喷注损失相同的能量,它们的相对份额不发生改变。在此假设条件下得到的喷注平均电荷的核修正验证了我们之前的结论。未来实验中精确测量重离子碰撞中整体喷注平均电荷的核修正,可以加深我们对部分子能量损失对味道的依赖的理解。

关键词：相对论重离子碰撞夸克胶子等离子体喷注淬火单整体喷注喷注的形状 W标记的喷注喷注的平均电荷冷核物质效应核修正因子

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相对论重离子碰撞中电磁场效应的研究

相对论重离子碰撞中电磁场效应的研究

引用

作者：赵新丽中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

学位级别：博士

夸克和胶子是标准模型里基本粒子的成员,宇宙大爆炸早期产生的夸克胶子等离子体在相对论重离子碰撞中也可以产生,因此研究夸克胶子等离子体可以帮助我们理解早期宇宙的起源和演化问题,同时也有助于更进一步地理解物质的基本结构。夸克... 详细信息

夸克和胶子是标准模型里基本粒子的成员,宇宙大爆炸早期产生的夸克胶子等离子体在相对论重离子碰撞中也可以产生,因此研究夸克胶子等离子体可以帮助我们理解早期宇宙的起源和演化问题,同时也有助于更进一步地理解物质的基本结构。夸克胶子等离子体的存在,提供了相对特殊的环境,它为一些反常输运效应的存在提供了必要条件,比如手征磁效应CME、手征分离效应CSE、手征磁波CMW等效应。手征磁效应是指:强磁场存在的情况下,左手费米子和右手费米子不相等从而引起矢量电流的效应,该效应会引起电荷分离的现象。手征分离效应是与手征磁效应对立的一种反常效应,会诱导轴向流。而且手征磁效应和手征分离效应的耦合可以产生手征磁波,理论预言介子的二阶傅里叶谐波2和电荷不对称ch之间的依赖关系与手征磁波诱导的电四极矩有关。实验上的一些观测结果可以支持手征磁效应和手征磁波的预言,但由于显著的背景效应,目前还没有足够的证据证明它们的存在。由于夸克胶子存在于碰撞开始的早期阶段,这就需要借助理论模型观测磁场等在碰撞早期的效应。这里我们用多相输运模型（AMPT）开展本文的研究。理论预期,小系统中的手征磁效应被认为与大系统A+A中的不同,但CMS最近的实验结果发现两种碰撞类型中有相似的手征磁效应信号。为此我们研究了小系统碰撞中的电磁场大小及其空间分布情况,同时也研究了磁场与参与平面方位角的关联,我们建议,应该在较低多重数时研究小系统碰撞中的手征磁效应。另一方面,我们研究了具有形变结构的同质异位素碰撞中的磁场大小和空间分布。通过研究磁场及磁场方向和参与平面以及旁观平面的关联,我们发现相对于参与平面,磁场与旁观平面的关联更强;而且我们发现形变越大,磁场与旁观平面和参与平面的关联的差异越大。我们认为磁场与旁观平面的关联能反映更干净的手征磁效应的信号。除此之外,在非对心的Au+Au碰撞中,我们发现,?在横平面空间是偶极分布,它与磁场的耦合可以产生类似于手征磁波的电四极矩现象。而且,碰撞区域中?的密度与中心度的关系也与STAR实验上测量的斜率参数与中心度的关系一致。我们发现的电四极矩新机制为解释STAR实验上的介子电荷相关的椭圆流提供了一种新的可能。我们知道部分子之间的相互作用反映了夸克胶子等离子体的性质,AMPT模型中的ZPC部分子级联模型正是描述这一相互作用的重要部分。但是,所有的级联模型都不可避免的存在因果违逆,虽然可以通过部分子细分（Parton Subdivision）方法消除或减小因果违逆带来的影响,但部分子细分方法会改变逐事件的关联和涨落并且在计算上非常耗时,因此找到一个不使用部分子细分方法且足够准确的级联算法非常重要。本文研究了箱体中的ZPC部分子级联中的不同碰撞方案,并将结果与部分子细分方法的结果进行对比,找到了一个足够准确的新碰撞方案。即使在非常高不透明度下,它也能准确描述动量分布及其时间演化。我们还研究了粘滞系数与熵密度的比,再次验证了新方案的准确性。而且在箱体的研究中,我们用了一种更加有效的新的部分子细分方法,该方法的细分因子可以很大（比如10～6）,远远高于标准部分子细分方法取几百的细分因子。

关键词：相对论重离子碰撞输运模型电磁场小系统同质异位素碰撞手征磁效应电四极矩部分子级联

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相对论重离子碰撞中初态α团簇结团效应的研究

相对论重离子碰撞中初态α团簇结团效应的研究

引用

作者：何俊杰中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

学位级别：博士

现代物理学有两个基本观念,即基于局域规范不变的粒子物理标准模型和基于广义相对论的宇宙学标准模型。夸克胶子等离子体与轻核都是和宇宙演化息息相关的微观物质形态。对它们的研究也有助于检验基础理论的正确性。相对论重离子碰撞将... 详细信息

现代物理学有两个基本观念,即基于局域规范不变的粒子物理标准模型和基于广义相对论的宇宙学标准模型。夸克胶子等离子体与轻核都是和宇宙演化息息相关的微观物质形态。对它们的研究也有助于检验基础理论的正确性。相对论重离子碰撞将这两个领域联系了起来。本论文主要研究的是相对论重离子碰撞中初态团簇结团效应对于末态观测量的影响,探讨利用相对论重离子碰撞来识别轻核结构的可能性。我们基于弦融化版本的多相输运模型（AMPT）来开展本论文的研究。首先,我们考察了初态团簇结团效应对于Hanbury-Brown–Twiss（HBT）关联的影响。在AMPT的初始化中,我们考虑了三种12C的构型,即Woods-Saxon分布、3团簇的三角形以及3团簇的长链。然后我们模拟了√=200 Ge V的12C+197Au中心碰撞。基于全同粒子强度干涉学的方法,通过-的关联,我们讨论了相对于二阶和三阶参与者平面的HBT半径的方位角依赖。我们还展示了方位角依赖的HBT半径关于强子再散射时间的演化。研究结果表明,三阶与二阶HBT半径的比值2（）,3/2（）,2对于12C的不同构型相当敏感。同时,我们发现使用高横动量的粒子具有更加清晰显著的效应。除此以外,我们还通过2～2,2/2,0估计了末态偏心率,并与初态偏心率进行了比较。我们的结果表明除了集体流,HBT半径关于二阶和三阶参与者平面的角分布也可以作为区分奇异核结构的有效探针。为了进一步考虑团簇构型与非团簇构型混合的情况,我们引入了机器学习的方法。我们利用了一个贝叶斯卷积神经网络来对12C（16O）的初态构型进行分类。带电介子的方位角和横动量分布作为输入数据来训练这个分类器。由于初态涨落在小系统中影响很大,无法基于逐事件的方案实现成功分类。而基于多重事件的方案中,同样对于√=200 Ge V的12C/16O+197Au事件,整体的分类准确率可以达到95%。我们将所训练的分类器应用在两种构型混合比例不同的测试数据集上,预测比例的偏差可以达到5%以内。混合样本中初始几何效应与涨落之间存在竞争,而网络捕捉到的构型特征所出现的概率与混合比例之间有着非常强的相关性。而且,设置一个简单的置信度阈值之后,网络在混合数据集上的预测表现有了进一步提升。我们还检查了预测的鲁棒性以及回归模型的表现。基于机器学习的方法不仅表现出从涨落中学习特征的强大能力,还可以很容易地拓展到实验数据。机器学习与物理学的交叉研究展现出了极大的潜力。

关键词：核物理相对论重离子碰撞团簇强度干涉学关联函数机器学习神经网络贝叶斯推断

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相对论重离子碰撞中的J/ψ压低与GCP事例产生器

相对论重离子碰撞中的J/ψ压低与GCP事例产生器

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作者：姚晓霞中国科学院高能物理研究所

学位级别：博士

该文发展了Monte Carlo产生器General Cascade Package(GCP),提出了纵向激发的受伤核子模型.并把它应用于GCP,用它来描述相对论的核-核碰撞过程.Monte Carto模拟的结果显示,GCP对核-核碰撞中加入了研究相对论重离子碰撞中J/ψ压低过程... 详细信息

该文发展了Monte Carlo产生器General Cascade Package(GCP),提出了纵向激发的受伤核子模型.并把它应用于GCP,用它来描述相对论的核-核碰撞过程.Monte Carto模拟的结果显示,GCP对核-核碰撞中加入了研究相对论重离子碰撞中J/ψ压低过程的基于强子环境的物理机制,模拟了SPS能量下p-A和A-A碰撞中J/ψ和ψ′粒子的产生和吸收过程.研究人员用GCP中受伤核子纵向激发的物理图象研究无偏情况下J/ψ的产生和压低问题.同时分析了各种可能的因素对J/ψ压低的影响.可以看到研究人员模拟的结果和p-A及A-A碰撞中J/ψ产生的实验数据符合得到很好,只有Pb-Pb碰撞除外.接着对分E<,T> bin情况进行了讨论.研究人员的结果可以很好地解释不同E<,T> bin值的S-U碰撞中J/ψ的压低.但是不能解释Pb-Pb碰撞中的反常压低.对于ψ′而言,这种模拟与实验值的偏差在S-U碰撞中已经出现了.为了和GCP的结果作比较,研究人员同时用解析的方法分析了p-A和A-A碰拉中重夸克偶素的产生和吸收机制.解析计算的结果和用GCP Monte Carlo模拟得到的结果基本是相同的 .两者互相支持.为了解释在S-U和Pb-Pb碰撞中J/ψ和ψ′的反常压低,需要引入新的物理机制.这可能预示着QGP的形成.而ψ′反常压低的出现比J/ψ早,则可能由于ψ′的束缚能比J/ψ小得多,更容易被离解.

关键词：相对论重离子碰撞夸克-胶子等离子体 J/ψ压低 J/ψ的核吸收机制 J/ψ和民行粒子的相互作用

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相对论重离子碰撞中集体运动及关联与涨落的研究

相对论重离子碰撞中集体运动及关联与涨落的研究

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作者：张春健中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

学位级别：博士

相对论重离子碰撞是探索极端条件下强作用物质性质的有效手段。相对论重离子对撞机(RHIC)对撞接近光速的两束核子产生高温高密物质,模拟宇宙大爆炸早期夸克胶子等离子的形成。为了研究相对论重离子碰撞,人们发展了许多唯象模型,用于描... 详细信息

相对论重离子碰撞是探索极端条件下强作用物质性质的有效手段。相对论重离子对撞机(RHIC)对撞接近光速的两束核子产生高温高密物质,模拟宇宙大爆炸早期夸克胶子等离子的形成。为了研究相对论重离子碰撞,人们发展了许多唯象模型,用于描述不同相对论重离子碰撞系统和能量下的非平衡多体动力学过程。集体流、关联和涨落效应敏感于重离子碰撞早期和系统的演化特性,可以提供夸克胶子等离子体的相关信息。本博士论文从唯象模型和实验数据分析两方面出发,研究了各向异性流、HBT关联和中心度涨落效应。关于各向异性流的研究,我们主要从各向异性流标度率、小系统中多粒子方位角关联的非流效应和STAR实验不同对撞系统的各向异性流涨落效应出发。我们利用AMPT模型、爆炸波模型和组合模型深入研究了各向异性流标度关系。研究发现,末态强子满足修正的夸克标度关系来自于强子相相互作用或流体动力学冻出机制而非夸克组合模型。另外,各向异性流标度率敏感于部分子相互作用。在实际的实验分析中,各向异性流信号的提取显著受到非流效应的影响。我们通过子事件累积量方法计算多粒子关联,可以有效地压低非流效应的贡献。通过无集体流的简单模型PYTHIA8和HIJING,我们应用标准累积量和子事件累积量计算得到小系统质子-质子和质子-铅对撞的三粒子方位角关联,并与ATLAS实验结果比较。并预测了三粒子关联反对称累积量ac2,3|5相对论重离子碰撞的非流效应,对未来实验的测量具有极大的参考价值。各向异性流是逐事件涨落的,我们分析了STAR实验不同对撞系统金-金和铀-铀的数据,研究各向异性流涨落效应。实验发现,不同的几何初态涨落导致了金-金和铀-铀在极端中心对撞区域v2相对论重离子碰撞的符号差异。各向异性流比率v2相对论重离子碰撞/v2相对论重离子碰撞和v2相对论重离子碰撞/v2相对论重离子碰撞显著的横向动量依赖性表明各向异性流涨落可能来自初态动量关联或末态相互作用的影响。多粒子关联归一化累积量的计算表明各向异性流的涨落为非高斯涨落。HBT关联可以有效提取相对论重离子碰撞早期源的尺寸和演化信息。RHIC-BES和FAIR-CBM能量稍低,强子化和强子相作用更重要,是当前国际研究的热点。深入理解强子演化和强子平均场势,对研究RHIC-BES能量下的相对论重离子碰撞动力学和提取相关QCD相图信息具有重要意义。我们利用AMPT模型研究强子相平均场效应对HBT关联的影响。π介子的关联研究表明与介质状态方程相关联的平均场能够影响整个系统的演化过程,并影响冻出阶段发射源的尺寸和粒子的发射时间。另外,质子、K介子和反质子的关联函数对提取丰重子核物质的平均场信息和理解重子-反重子的湮灭效应具有重要意义。源的数目和分布沿着赝快度方向在其横向平面上有涨落效应。研究不同赝快度区间的关联和涨落对理解强耦合非微扰区间的QCD部分子动力学具有重要意义。中心度涨落可能会影响所有具有中心度依赖的物理量的涨落。我们基于Glauber模型和负二项式分布研究中心度涨落机制。研究发现,中心度涨落来源于多重数拖尾效应和中心度退关联效应。中心度涨落的系统依赖性研究表明,对撞系统越小,前后向参与核子分布不对称性越高,中心度涨落越明显。此研究对理解粒子的产生机制、源的本质和涨落具有重要意义。同时对未来定量分析中心度涨落的实验研究具有指导作用。

关键词：相对论重离子碰撞各向异性流多粒子关联流涨落 HBT关联强子相平均场中心度涨落

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相对论重离子碰撞中背向喷注关联的测量

相对论重离子碰撞中背向喷注关联的测量

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作者：江琨中国科学技术大学

学位级别：博士

相对论重离子对撞机(RHIC)上进行的重离子碰撞实验产生了一种被称为夸克胶子等离子体(QGP)的物质形态。这种高温高密度系统中的大动量的部分子(parton)来自于核子中夸克和胶子的硬散射。部分子经过硬散射之后碎裂成的高能量的粒子束被... 详细信息

相对论重离子对撞机(RHIC)上进行的重离子碰撞实验产生了一种被称为夸克胶子等离子体(QGP)的物质形态。这种高温高密度系统中的大动量的部分子(parton)来自于核子中夸克和胶子的硬散射。部分子经过硬散射之后碎裂成的高能量的粒子束被称为喷注(jet)。部分子在穿过高温高密度介质(medium)的时候将会损失很多能量,因为可以被用来作为探针探测介质的性质。部分子穿过介质的路程越长损失的能量越大,因而被探测到的高能量的粒子通常产生于碰撞系统的边缘。所以单纯研究高能量粒子的产生对于理解QCD介质的性质和喷注介质的相互作用只能提供有限的信息。然而,喷注由于动量守恒总是背对背的产生,高能量粒子的背向(方位角差别大于π/2)喷注将会穿过整个介质并且与介质产生最大的相互作用。由高横动量粒子触发的双强子关联和多强子关联将是研究部分子在介质中的能量损失机制的有用工具。在双强子关联中,两种奇异的现象被观测到。一个是在近端(near-side方位角差别小于π/2)长程赝快度关联,另外一个是背端关联中(away-side方位角差别大于π/2)出现的双峰结构。前者被称之为“脊”(ridge),因为近端关联粒子的赝快度近似于均匀分布。后者被称之为“锥”(cone)关联,因为目前背端关联双峰结构的流行解释是马赫锥(Mach cone)。然而在这些关联测量中只有椭圆流(elliptic flow v2)的本底被扣除。更高阶流(flow harmonics),特别是三角流(triangular flow v3)的贡献被忽视。而“脊”和远端的双峰关联很有可能是由于更高阶流引起的。扣除椭圆流的背景包含两个方面,一是确定椭圆流系数的大小,二是椭圆流背景的绝对幅度。椭圆流系数可以通过独立的流的测量得到。在确定了椭圆流系数之后,人们通过假设在方位角之差等于1处(△φ=1)喷注关联的信号为零来确定椭圆流背景的绝对幅度。这种确定椭圆流背景贡献的方法被称为ZYAM方法。ZYAM方法通常会在测量中引入很大的不确定度。本论文提出了一种新的方法用于扣除喷注关联中的集体流背景。这种方法并不假设集体流的形状和幅度,而是使用已测量到的每个事例中粒子的方位角信息(data)并且可以扣除所有阶的集体流背景贡献。我们挑选在赝快度区间(0.5<|η|<1)相对于一个高横动量粒子有很大的反冲横动量(recoil transverse momentum, Px)的事例来增强背向喷注位于这个赝快度区间中的概率,然后在关于中心快度区对称的两个赝快度区间(一0.5<|η|<0和0<|η|<0.5)分析双强子关联。其中一个赝快度区间("close-region")离挑选反冲横动量的赝快度区间很近,另外一个赝快度区间("far-region")离挑选反冲横动量的赝快度区间很远。背向喷注由于不同的赝快度间隔对‘'close-region''的贡献大而对"far-region"的贡献小,而集体流背景对这两个关于中心快度区对称的赝快度区间的贡献一致。假设喷注关联△φ方向上的形状不依赖△η。两个赝快度区间的双强子关联之差测量了背向喷注的形状。集体流的背景被干净的扣除。论文测量了金金碰撞200GeV下背向喷注关联在不同碰撞中心度和关联粒子横动量下的宽度。背向喷注的宽度被发现随着碰撞中心度的升高而变大。背向喷注关联宽度的变大可能来源于喷注和介质的相互作用,或者是在每个事例中喷注被介质集体流弹开的平均效应,也可能是简单的nuclear KT效应。为了进一步区分不用的物理机制,论文研究了三强子关联。三强子关联也采用了类似于双强子关联的利用数据扣除各阶集体流背景的方法。基于三强子关联的结果我们讨论了可能的导致背向喷注关联展宽的物理机构。

关键词：相对论重离子碰撞 TPC 集体流

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相对论重离子碰撞中超氚核的实验研究

相对论重离子碰撞中超氚核的实验研究

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作者：徐亦飞中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)

学位级别：博士

量子色动力学(QCD)是描述强相互作用的规范场理论。这一理论有两个基本特征,即夸克禁闭和渐进自由。根据格点QCD计算,在高温、低重子数密度的条件下,被禁闭在强子中的夸克会解禁闭,形成一种新的物质形态,即夸克胶子等离子体(QGP)。为了... 详细信息

量子色动力学(QCD)是描述强相互作用的规范场理论。这一理论有两个基本特征,即夸克禁闭和渐进自由。根据格点QCD计算,在高温、低重子数密度的条件下,被禁闭在强子中的夸克会解禁闭,形成一种新的物质形态,即夸克胶子等离子体(QGP)。为了研究这种新物质形态,科学家们研制了大型相对论重离子对撞机。位于美国长岛的布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上包括了两个主要的实验装置,即螺线管径迹探测器实验组(STAR)和高能核作用实验组(PHENIX)。其中STAR实验组已经积累了大量的实验证据,证明在对撞之初的极短时间内(若干fm/c),确实产生了一种高温、高密、存在强相互作用的新物质,被称为强耦合夸克胶子等离子体(Strong-coupling Quark Gluon Plasma,s QGP)。从20世纪中期开始,随着奇异夸克以及一系列奇异粒子的发现,超子-核子(YN)相互作用及其性质成为了一个重要的研究方向。一方面,对YN相互作用的研究能帮助我们进一步理解重子-重子(BB)相互作用,另一方面,YN相互作用也被认为在中子星内部起重要的作用,对YN相互作用的研究在天文学上也有重要的意义。相对论重离子对撞机的出现为YN相互作用的研究带来了很大的便利:作为最轻的超核,超氚3是RHIC上产额最大的超核,也是YN相互作用最好的研究对象。超氚有两个主要的衰变模式,即π介子衰变模式和非π介子衰变模式。其中π介子衰变模式的衰变分支比大于98%,是主要的衰变模式。在本文中,主要讨论两个衰变道,即含有π的两体和三体衰变道。我们使用了STAR在2010年和2011年采集的对撞质心系能量为和200Ge V的最小偏差(Minimum Biased)数据,通过以上两个衰变道,重构出了超氚的信号。在进行了探测器重构效率、接收度、事件数的修正之后,一方面计算得到了的寿命,即,另一方面也计算了两体衰变道分支比与两体、三体衰变道分支比之和的比值,即。理论上一般认为,超氚核是由一个氘核和一个∧超子组成的弱束缚态。这样一来,的寿命将会比较接近非束缚态的∧的寿命,即263ps。早期的实验结果大都含有较大的误差,在误差范围内大都较接近∧的寿命。2000年之后,使用时间投影室(TPC)技术,RHIC-STAR、LHC-Alice以及GSI-Hyp HI的若干实验结果,以及本文的结果,都支持这样一个结论,即的寿命明显的小于非束缚态∧的寿命。这意味我们之前对的结构的理解需要进一步的修正。STAR的零度量能器(ZDC)在工作了近10年后,由于辐照损伤等原因,已经无法维持合适的工作状态。考虑到BRAHMS上的ZDC已经于2006年停止使用并一直闲置,我们将其安装到了STAR并替换了旧的ZDC。在安装到STAR之前,我们对其进行了刻度。刻度之后的ZDC在RHIC上经历了若干不同能量和种类的束流。我们使用相应的数据计算了ZDC的能量分辨率。结果显示,目前对于200Ge V的金-金束流来说,两侧ZDC模块的能量分辨率大约为27%,这比ZDC设计之初使用实验束流得到的20%的能量分辨率略高,但仍然处在良好的范围内。重味探测器(HFT)已经于2014年开始了数据采集。为了将HFT的信号加入到STAR目前的高阶触发系统(HLT)中,我们使用相关程序对HFT进行了径迹重构测试。测试的结果显示,当初始顶点的位置可以较准确的确定时,径迹的重构效率可以得到保证。但是目前程序的CPU时间消耗过高,需要进一步的改进和优化。

关键词：超氚超核奇异性 STAR 相对论重离子碰撞

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