高能重离子碰撞中的夸克极化现象研究

论文摘要

高能反应中的自旋效应是研究强子结构和强相互作用的重要手段,尤其是一系列意外自旋效应的发现对于深入研究强相互作用理论QCD的非微扰效应和强子结构有非常重要的意义。最早意外自旋效应是来自JP=1/2+超子极化实验,实验上可以比较容易的分析这些超子的弱衰变产物而测量这些超子的极化度。结果发现在非极化的高能强子—强子、强子—核反应中产生的超子相对于产生面是横向极化的,极化度的大小和方向随超子类型的不同而改变。对这一现象的深入研究大大加深了人们对强相互作用的理解,但对这一现象的理论解释到现在为止还没有完全彻底地解决。如果考虑高能核—核反应,一些文献[1,2]中指出这一意外自旋效应将因为夸克胶子等离子体QGP的产生而消失。但是核核反应过程有区别于强子—强子、强子—核的独特特点,尤其近来实验上可以定出两个原子核碰撞参数的大小以及反应面方向。这一有力工具在强子—强子、强子—核反应中是没有的。在此实验前提条件上,梁作堂和王新年两人在文献[3]首次提出,在高能非对心核核碰撞中产生的热物质体系将有一个很大的轨道角动量,这一轨道角动量总是沿反应面反方向,在早期演化阶段这一轨道角动量局域表现为沿垂直于入射轴方向的纵向动量流梯度或快度shear,这一纵向流的横向分布不均匀导致碰撞产生的热物质体系中横向相邻的部分子具有一个沿反应面负方向的轨道角动量。文献[3]进一步指出这一轨道角动量可以由QCD散射过程转化为它们的自旋角动量,从而使碰撞后的部分子沿这一初始角动量的方向产生极化,他们利用了一个简单的有效静态势模型来描述部分子级散射过程,并且借助与碰撞参数空间的截面公式来计算具有初始轨道角动量的散射过程,在小角散射近似下得到了一个简单的解析结果,结果显示初始夸克的轨道角动量是完全可能导致散射后末态夸克的极化,极化度可达30%—40%。夸克的这一极化最终可以转化为末态可测的强子极化。文献[3]讨论了这一夸克极化如何转化为末态超子的极化,在文献[4]中讨论了这一夸克极化如何导致末态矢量介子的极化现象以及极化矢量介子衰变对椭圆流的影响。既然这一极化现象是源自非对心碰撞中的整体轨道角动量,为了区别于强子—强子、强子—核中的极化机制,我们将把这种极化现象简单的称之为整体极化。对于高能非对心重离子碰撞中这一整体极化的研究为人们更加深入认识QCD中自旋—轨道角动量耦合机制提供了另一强有力的工具。本篇论文的工作是建立在文献[3]基础之上的,我们首先对纵向流分布进行了更加全面和详细的讨论。对于描述原子核几何结构的模型除了在文献[3]中用到的Hard Sphere模型,在本文中还讨论了Woods Saxon模型,对于描述产生的QGP的整体流分布,既考虑了Landau Fireball模型,也讨论了Bejorken Scaling模型。在Landau Fireball模型下,Hard Sphere模型和Woods Saxon模型的所导致的纵向流结果是相一致的。为了在BejorkenScaling模型下描述,我们利用HIJING来提供产生的快度分布。我们分别在Landau Fireball模型和BejorkenScaling模型下估计了在QGP中两个夸克在有效距离下的平均轨道角动量,以及由此轨道角动量而导致的一次散射后夸克的极化度,我们发现这两个模型所导致的结果是非常不同的。然后我们把文献[3]中描述夸克散射的有效静态势模型,推广到了一般的夸克—夸克散射过程。在我的论文中夸克—夸克散射过程的计算是基于温度场论中HTL（Hard Thermal Loop）近似下的胶子传播子公式。我们既计算了在有限温度下两个轻夸克之间的散射过程,也计算了一个轻夸克和一个重夸克的散射情况。在两个轻夸克散射过程中结果显示,与以前的静态势模型相比较,夸克极化度与入射能量的依赖关系更加敏感和复杂。从低能到高能,极化度从接近于零的值很快变大,达到一个峰值,最大可达25%,然后再变小,最终趋于零。在轻夸克—重夸克散射过程中,重夸克的极化度在固定质量下与两个轻夸克散射过程的情形相比较,我们发现它的变化趋势是一样的:从低能到高能,极化度从小很快变大,达到一个峰值,然后再变小最终趋于零。但是极化度的峰值要比轻夸克的情形要小的多,极化度随着夸克质量的增加而衰减。利用我们最新的结果发现,在RHIC能量下Landau Fireball模型和BejorkenScaling模型所导致的夸克极化都非常小几乎为零|Pq|＜0.04,在LHC能量下Landau Fireball模型所导致极化度会达到峰值附近。论文除了考虑热化的夸克夸克之间的散射所可能导致的整体极化,本篇论文还计算了由jet在热介质中的传播而可能诱发的周围热化夸克的极化,这一情形下导致的极化方向取决于热化夸克相对于jet的横向位置。这一计算仍旧基于HTL近似下的胶子传播子公式,结果显示在jet的能量相对温度很大时,极化度趋于常数。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第1章 引言
• 1.1 高能强子反应中的末态超子极化现象
• 1.2 高能重离子碰撞简介
• 1.3 高能重离子非对心碰撞中的整体极化
• 1.4 本文主要内容和安排
• 第2章 高能重离子碰撞中的轨道角动量和纵向流分布
• 2.1 高能重离子非对心碰撞中的初始轨道角动量
• 2.2 Landau Fireball模型下纵向动量流分布
• 2.3 Bjorken Scaling模型下的快度分布
• 第3章 碰撞参数空间中的截面公式
• 3.1 具有确定碰撞参数的夸克散射过程
• 3.2 有限温度下胶子传播子的形式
• 第4章 轻夸克的整体极化
• 4.1 对碰撞参数空间截面的解析运算
• 4.2 解析结果在各种近似下的简化分析
• 4.3 数值结果以及与实验的比较
• 第5章 重夸克的整体极化
• 5.1 对碰撞参数空间截面的解析运算
• 5.2 数值计算结果
• 第6章 Jet在热介质传播中诱发的极化
• 6.1 Jet诱发热化夸克极化的解析运算
• 6.2 Jet诱发热化夸克极化的数值结果
• 6.3 对数值结果的一些分析讨论
• 第7章 整体极化的其他新进展
• 7.1 整体极化诱发的末态光子的极化
• 7.2 角动量守恒对末态强子的椭圆流和极化的影响
• 7.3 利用强子极化现象来推测QGP的具体性质
• 7.4 整体极化计算体系方面的研究进展
• 第8章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表