RHIC-STAR上直接流的研究

论文摘要

二十世纪核物理的最重大成就之一是建立了强作用的基本理论—量子色动力学（QCD）。QCD是关于物质的基本组分—夸克—的动力学。在通常情况下,夸克先构成核子,再由核子构成核物质。但在特别的情况下,比如密度增大或温度升高时,核子间的边界渐渐模糊起来,夸克禁闭解除,核物质将变成新的物质形态—夸克物质（Quark Matter）。夸克物质研究是当代原子核物理最激动人心的方向之一,将深刻影响人们对于宇宙演化、星体的形成与性质、物质的微观结构与相互作用等众多方面的认识。因此,夸克物质一直引起巨大的研究兴趣：国际上有系列的夸克物质会议；国际权威学术刊物不断发表夸克物质相关的研究论文；世界上几大主要实验室,例如The European Organization for Nuclear Research-CERN, United States national laboratory in Upton, New York on Long Island-Brookhavcn National Laboratory （BNL）等,已经开始新一轮的实验探：天文学家也在努力寻找夸克物质的踪迹。夸克物质可能产生的一种情况是重离子碰撞。早在30多年前,诺贝尔奖获得者李政道先生就提出了通过重离子碰撞研究高能量密度或高重子密度物质性质的思想,并预言可能存在物理真空破缺对称的恢复及奇异致密物质态的产生。随着能量由低到高,重离子碰撞所涉及到的主要自由度将相应发生变化。在高能能区,比如：TheRelativistie Heavy Ion Collider-RHIC, The Large Hadron Collider-LHC能区),重离子碰撞中可能发生由强子物质到夸克物质的退禁闭相变,形成新物质形态。此时,产生的夸克物质（如果产生）处于很高的温度状态,称为夸克-胶子等离子体（Quark Gluon Plasma QGP）,或热夸克物质（Hot Quatk-HQ）。基于格点QCD计算结果和实验研究,人们相信在RHIC能区或LHC能区的重离子碰撞中已经形成QGP。如何从末态粒子的性质判明QGP的形成和性质,是重离子碰撞实验中最为关心的一个问题。美国布鲁克海汶国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）自2000年运行以来,得到了许多激动人心的结果。大横动量强子证明了它们的相互作用在碰撞早期发生,这些相互作用很像发生在部分子之间。RHIC实验观测到了非常强的集体流,特别是观测到了碰撞早期产生的υ2对组分夸克的标度性,表明在RHIC上存在部分子的集体运动。利用高能高统计数据研究系统热化和QGP性质是RHIC的一个重要目标。物理学家们致力寻找和观测QCD相变信号,并通过研究碰撞发生后的物质动力学演化过程,进一步了解QGP产生和演化的机理。集体流（直接流和椭圆流）与系统的早期演化有着密切的联系。测量RHIC能区核-核碰撞的集体流能提供存在于早期演化过程中的部分子的信息,它对判明QGP是否形成有着重要的意义,也是寻找相变的很好的探针。直接流（υ1）是发射粒子相对于反应平面分布的傅立叶变换的第一谐波系数。它描述了由碰撞产生的粒子和核碎片在X—Z平面上的方位角的分布情况,它载有碰撞最早期阶段的信息。直接流的大小和形状,特别是可鉴别粒子的直接流的大小和形状是特别有意义的,因为它们对于平衡态方程很敏感（Equation of State-EOS）。最近的理论研究表明,非对心碰撞中,参加碰撞的区域成一个“杏仁”状的火球,由于火球受到两个核碎片对其施加的侧向力,导致火球在X-Z平而上有一定角度的倾斜（不再平行于X轴方向）。在随后的火球系统碰撞过程中,这种倾斜体现在作为快度函数的直接流中,在中心快度区,直接流υ1（y）几乎为零。火球的倾斜扩张引起反向流（或者叫做第三种流组分）。反向流的方向是和火球面垂直,并和两个核碎片的反弹运动方向相反。如果火球的倾斜膨胀足够大,它甚至可以克服两个核碎片的反弹运动力,体现出米的是直接流在中心快度区域穿过零处三次,呈现一个摆动的结构。值的指出的是关于这个反向流的解释虽然是在与一级相变有关的the Super Proton Synchrotron-SPS能区,但这个计算对于RHIC高能区的碰撞也是有可能发生。事实上,最新的引入倾斜源作为初始条件的流体力学计算给出了和实验数据一致的结果,带电粒子的直接流在中心快度区呈现了一个负向倾斜。但是这种摆动的结构也出现在相对论量子分子动力学（RQMD）模型中。在该模型中,这个摆动的结构的形成只来源于重子阻碍效应以及空间动量的正关联,没有任何的相变信息。该模型预言π介子和核子的直接流在中心快度区的方向相反。为了区分重子阻碍效应和平滑过渡阶段有关联的反向流,可鉴别的粒子的直接流是很好的观测量,比较不同粒子的直接流在中间快度区的斜率可以提供更多的信息。特别是,质子的直接流υ1（y）对中心度可能揭示可能存在的一级相变。通过对高能区域大统计量的2007年采集的200GcV金金碰撞实验数据进行研究,已经得到关于可鉴别粒子的直接流的新结果。结果包括有：π介子,反质子,K±和KSO介子的直接流是负向倾斜的,与“负向流”的图像是吻合的,但是质子的直接流在中间快度区域是接近于零。另一方面,从质子,反质子与π介子直接流的激发函数和模型比较的入手,发现考虑由QGP效应产生倾斜源的流体力学模型很好的描述了中心度10%-70%的质子和π介子的结果,但尤法描述质子和反质子直接流在中心度5%-30%呈现出的相当大区别。实验结果与现有的模型（the Rclativistic Quantum Molecular Dynamics Model RQMD-RQMD, the Ultrarclativistic Quantum Molecular Dynamics-UrQMD, A Multiphase Transport Model-AMPT模型,以及the Quark Gluon String Model with Parton Recombination带有部分子重组的QGSM模型,theHydrodynamic Calculation with Tilted Source带有倾斜源的流体力学模型）进行了比较,没有一个模型能够同时正确的描述π介子和质子的直接流。也许解释质子和反质子的直接流激发函数的中心度依赖的不同需要加入额外的机制。2008年STAR实验组产生了部分低能的数据（9.2GcV）,通过与现有STAR实验组的高能62.4GcV和200GcV的带电强子集体流比较,以及其他实验组the North Area of the Super Proton Synchroton at CERN-NA49实验组的现有结果进行了一致性比较。我们发现,直接流和现有实验结果的趋势是一致的。其结果表明STAR实验是具有进行能量扫描计划的能力。研究了在多项输运模型AMPT中,不同能区200,130,62.4,39,17.2以及9.2 GcV带电强子和可鉴别粒子的直接流关于快度、中心度、能量的依赖关系。AMPT模型给出了与已有实验能量相符合的快度倾斜度和能量依赖的趋势,虽然数值比实验值要低。发现在AMPT模型中,当能量达到130GcV时候,质子的直接流改变了方向。强子再闪射效应对RHIC高能区的直接流有很小的影响。这些结果可以帮助我们理解集体流在相对论重离子碰撞早期的性质,也可为RHIC能量扫描计划提供参照。本文的创新之处在于1.依赖于2000-2005年实验数据,我们测量了金金和铜铜碰撞中62.4 GeV和200GcV中的带电粒子直接流,发现直接流只是对碰撞能量有依赖,但是没有碰撞系统的相关性,这与所有现有的模型（AMPT, UrQMD）的预言师相悖的。同时,将极限碎裂的概念延伸至直接流的不同碰撞系统,并且探讨了直接流关于横动量分布的形状变化。在STAR实验上金金碰撞中带点粒子的直接流的实验分析是首次在该碰撞能区研究直接流的性质,该研究具有首创性和前驱性。文章现已发表在Phys. Rev. Lett.101,252301 （2008）上;2.在2007年采集的200 GeV金金碰撞实验数据进行研究,已经得到关于可鉴别粒子直接流的新结果,π介子,反质子,K±和KSO介子的直接流是负向倾斜的,这与和QGP相变有关的“负向流”的图像是吻合的,但是却质子的直接流在中心快度区域是接近于零。另一方面,从质子,反质子和π介子直接流的激发函数和模型比较入手,发现考虑有QGP效应产生倾斜源的流体力学模型能很好的描述中心度10%-70%的质子和π介子的结果,但无法描述质子和反质子直接流在中心度5%-30%呈现出的相当大的差别。结果现在实验组内讨论,拟投Phys. Rev. Lett.;3.参与了2009年底低能9.2 GcV测试实验数据的分析工作,采用不同的分析途径,主要进行了带电粒子的直接流的研究,得到重要的实验结果。其结果和以往其他实验组的低能实验结果是一致的,说明了STAR实验组是有能力做好低能扫描实验的。结果现已发表在Phys. Rev. C 81,024911 （2010）上；4.应用多项输运模型（AMPT）对在Au+Au碰撞实验中,可鉴别粒子的直接流进行了计算,计算主要集中在200,130,62.4,39,17.2和9.2 GcV几个碰撞能量点。对不同碰撞能量下可鉴别粒子的直接流与快度、碰撞中心度的关系进行了计算。计算结果与现有能量的实验数据相符合,并且对低能碰撞的结果进行了初步的预言。计算结果将帮助我们理解RHIC能量下的早期碰撞动力学,同时也对RHIC能量扫描实验给出了初步的参考。计算结果发表在Phys. Rev. C 81,014904（2010）上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 Introduction
• 1.1 QGP and Quantum ChromoDynamics
• 1.2 Heavy Ion Collider
• 1.3 Directed Flow
• 2 Experimental Setup
• 2.1 The RHIC aceelerator
• 2.2 The STAR detector
• 2.2.1 The STAR's Time Projection Chamber（TPC）
• 2.2.2 The STAR's Forward Time Projection Chamber（FTPC）
• 2.2.3 The STAR's Shower Maximum Deteetor inside the Zero Degree Calorimeters（ZDC-SMDs）
• 3 Analysis Methods
• 3.1 Directed Flow from Au+Au Collisions at （?） GeV in Run 7
• 3.1.1 Data-Set and Cuts
• 3.1.2 Track Selections
• 3.1.3 VO Rceonstriction
• 3.1.4 The Estimation of the Reaction Plane and the Resolution
• 3.1.5 The Standard Event Plane Method
• 1 versus m_inu Method'>3.1.6 v₁ versus m_inuMethod
• 3.2 Directed Flow from Au+Au Collisions at （?） GeV and 62 GeV in Run 4
• 3.2.1 Data-set and Cuts
• 3.2.2 Track Selections
• 3.2.3 The Estimation of the Reaction Plane and the Resolution
• 3.2.4 The Standard Event Plane Method
• 3.3 Directed Flow from Au+Au Collisions at （?）=9.2 GeV in Run 8
• 3.3.1 Data-set and Cuts
• 3.3.2 The Mixed Harmonics Method
• 4 Results
• 4.1 Charged Hadrons Directed Flow in Run4 and Run7
• 4.2 Charged Hadrons Directed Flow in Run 8
• 4.3 Identified Particles' Directed Flow
• 4.3.1 Rapidity and Centrality Dependance of Directed Flow in Run4
• 4.3.2 Rapidity Dependance of Directed Flow in Run7
• 4.3.3 Centrality Dependance of Directed Flow in Run7
• 4.3.4 Energy Dependance of Directed Flow in Run7
• 4.4 Systematic Uncertainties
• 4.4.1 Systematic error from the particle misidentification
• 4.4.2 Systematic error from the PT acceptance effect
• 4.4.3 Systematic error from different centrality of Run4/7
• 4.4.4 Systematic error from the background contamination
• s^O'>4.4.5 Systematic error for K_s^O
• 4.5 Directed Flow from AMPT Model
• 4.5.1 Introduction of the AMPT model
• 4.5.2 Analysis and results from AMPT model
• 5 Discussion and Summary
• References
• Publication List
• Presentations
• Acknowledgements