1、分類號 密級UDC 韓立指導(dǎo)教中應(yīng)用物申請學(xué)位級博學(xué)科專業(yè)名稱粒子物理與原子核物提交分類號 密級UDC 韓立指導(dǎo)教中應(yīng)用物申請學(xué)位級博學(xué)科專業(yè)名稱粒子物理與原子核物提交日期 2013年4答辯日期2013年5培中應(yīng)用物學(xué)位授中大答TypesetbyTypesetbyLATEX2atMay8,With package CASthesis v0.2 of Studies of initial uctuation eect collectiveowinrelativisticStudies of initial uctuation eect collectiveowinrelativisticheav

2、y-sLi-Xin otal fulfilment of the requirements for the degree of inParticle Physics andNuclear年月日位、應(yīng)物所務(wù)；的印刷本和，并提供目錄檢索與閱覽服、應(yīng)物所可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其保、應(yīng)物所、應(yīng)物的全部或部分內(nèi)容向（。在年月日位、應(yīng)物所務(wù)；的印刷本和，并提供目錄檢索與閱覽服、應(yīng)物所可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其保、應(yīng)物所、應(yīng)物的全部或部分內(nèi)容向（。在后遵守此規(guī)定年年月日月日摘要通常情況下，自然界中最基本的物質(zhì)單元的夸克是不存在的。但是描述強相互作用的量子色動力學(xué)到夸克膠子等離子態(tài)（ QGP 。這種

3、物質(zhì)被認為曾經(jīng)存在于宇宙形成的初期（ 1 0 6 s摘要通常情況下，自然界中最基本的物質(zhì)單元的夸克是不存在的。但是描述強相互作用的量子色動力學(xué)到夸克膠子等離子態(tài)（ QGP 。這種物質(zhì)被認為曾經(jīng)存在于宇宙形成的初期（ 1 0 6 s 。為了尋找并研究這種新物質(zhì)態(tài)，相對論重離子對撞機陸續(xù)建成(BNL)的相對論重離子對機(RHI)運行以來取得了大量有重要意義的物理成果。最近歐洲核子研究中心( CERN的大型強子對撞機( HC )大量的物理成果表明金- 金對心碰撞中（以及鉛-鉛碰撞中）T）模擬了相對論重離子碰撞（200GeV 的Au+Au多相輸運模型2.76 TeV Pb+Pb碰撞） 的 碰撞兩種情況

4、，發(fā)現(xiàn)兩個能量下形成的這種部分子物實驗上計算橢圓流所用到的末態(tài)粒子，除了絕大部分是由熱密物質(zhì)集體膨脹后產(chǎn)生之外，還有一部分是由噴注產(chǎn)生。探究這兩部分如何在橢圓流得以區(qū)分，對進一步清楚理解相對論重離子碰撞中產(chǎn)生的熱密物質(zhì)的性質(zhì)具有十分重要的意義。為此， 提出可以用橢圓流前后（贗 度關(guān)聯(lián)的方法（C 通過利用含有部分子相互作用的多相輸運模型 ）模擬了相對論重離子碰撞（ 的 碰撞 為零，進而轉(zhuǎn)化為非零的橢圓流前后漲落關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致無論是是 考慮橢圓 ： 相對論重離子碰撞，夸克膠子等離子體，集體流，噴注型 conned transition from conned hadronic phase to a d

5、econned e of matter o coecient he l distribution of nal particles, is translated itis valuableto studytheinitialuctuationeect itis valuableto studytheinitialuctuationeectonthenalcollective eects signicantly The eciency decreases with the harmonic order th harmonic ows at both energies. harmonic ows

6、show similar ive behaviors at RHIC and LHC he l distribution ofnal particles,is alsocorrelatedto jet C v2 C p jetcontributiontothemeasuredellipticowgrowswithincreasingp p v v tistical uctuations of the elliptic is to be y 40%. eects C B uctuation, the forwardbackward ellipticow correlation (C ： 目錄目錄

7、iAbstract標準模量子色動力學(xué)QCD相圖1137的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本相對論重離子碰撞相對論重離子碰撞與夸克膠子等離子相對論重離子碰撞中常用的理論模流體力學(xué)模型簡HIJING模型簡介T相對論重離子碰撞的實驗現(xiàn)相對論重離子對撞機Relativistic Heavy Ion Collider STAR 實驗裝置PHENIX實驗裝置大型強子對撞機Large Hadron Collider 相對論重離子碰撞實驗(RHIC)的一些重要實驗 (particle spectra) (Jet quenching) 奇異性增(Strangeness Enhancement) 奇異性增(Strangeness

8、 Enhancement) 夸克偶素壓低 (Quarkonia ) 光子和雙輕子(Photonsand Dileptons) 集體流(CollectiveFlow) 奇異粒子(search exotic particles) 集體流簡介 引言集體流，非流，流的漲落 集體流的實驗方集體流的重要結(jié)果與物理 橢圓流的能量依賴性橢圓流的低橫動量區(qū)間質(zhì)量依賴性 橢圓流的組分夸克標度高橫動量的末態(tài)動量空間橢圓形各向異性 高階集體流考慮初始漲落的集體流與關(guān)聯(lián) 引言考慮初始漲落的集體流考慮初始漲落的橢圓流前后快度關(guān)結(jié)果初始漲落對高階集體流的影計算得到的高階集體流的比較初始坐標空間各向異性轉(zhuǎn)化為末態(tài)集體流的轉(zhuǎn)化

9、率 的組分夸克數(shù)標度（NCQ scaling） 初始的偏心率后（贗）快度的漲落關(guān)聯(lián)對橢圓流后（贗）快度關(guān)聯(lián)（CFB）的影的集體膨脹部后（贗）快度關(guān)聯(lián)（CFB）的影的組分夸克數(shù)標度（NCQ scaling） 初始的偏心率后（贗）快度的漲落關(guān)聯(lián)對橢圓流后（贗）快度關(guān)聯(lián)（CFB）的影的集體膨脹部后（贗）快度關(guān)聯(lián)（CFB）的影CFBG 因子的關(guān)后（贗）前后（贗）后（贗）前后（贗）快度的關(guān)聯(lián)（CFB）影響的進一表格部分RHIC表格部分RHIC部分STAR時間投影室的參數(shù)。 讀出系統(tǒng)的一些插圖 ）2不同實驗測量到的強相互作用耦合常數(shù)，紅虛線為C計算的結(jié)果1插圖 ）2不同實驗測量到的強相互作用耦合常數(shù)，紅虛

10、線為C計算的結(jié)果1Lattice QCD計算的強相互作用物質(zhì)中多種味組合下 /T 4 隨溫度T的演化圖象，右邊箭頭表示理想Stefan-Boltzmann 極限圖中紅點表示強子相向QGP 46重離子碰撞時空演3T(左圖和的重T(右圖結(jié)構(gòu)示意圖。 對撞機分布示意圖。 布魯克海STAR探測器三維圖。 STARSTAR時間投影室TPCTPC帶電粒子徑跡穿過TPC200 GeV 的d+Au 碰撞中TOF 測得的粒子速度倒數(shù)（1/）相對變質(zhì)量的平方m2(m2 = p2(1/2 1)BEMC200 GeV Au+Au p+p 心快度（| 200 GeV 度）62.4GeV 的Au+Au，Cu+Cu J/

11、RAA 不同能級下隨中心度的依賴關(guān)系7。200 GeV 的Au+Au 碰撞心度在0 20%的時候，PHENIX測得的直接光子譜與不同理論計算給出的熱化光子發(fā)射結(jié)果的比較8。 非中心碰撞中平滑的初始幾何空間（坐標空間）動量空間示意圖。上圖是K0和+ 以及正負強子(h 橢圓流隨著pT S中虛線是基于流體力學(xué)模型計算出來的結(jié)果。下圖是K0和 +S A圖和B3H3H插圖HLT 200GeV和62GeV Au+Au 碰撞事例數(shù)據(jù)中得到的(反)輕核的質(zhì)量分布圖，其中桔黃色雙峰分布分別為 3He 4He3He 4He。 插圖HLT 200GeV和62GeV Au+Au 碰撞事例數(shù)據(jù)中得到的(反)輕核的質(zhì)量分

12、布圖，其中桔黃色雙峰分布分別為 3He 4He3He 4He。 200GV u+u 0 %| Npart 依賴性（c）v2/ r n 轉(zhuǎn)化示意圖RHIC200GeV的Au+Au碰撞中，（左圖）STAR流漲落的范圍，以及與MC Glauber計算的核子、夸克和CGC較；（右圖給出的橢圓流漲落的范圍，以及與Glauber計算結(jié)果22。 CFB與pTT200GeV 的Au+Au 0 80%和v2 v3 系圖。其中五角星表示PHENIX 實驗數(shù)據(jù) 23，圓圈和里定義的事件平面、空心。這里兩體部分子散射截面取為3 mb （末態(tài)動量空間4.8 地做了事件平面解的修正n vn （n4）在中心快度隨碰撞參數(shù)

13、b n 參數(shù)b的變化關(guān)系vn 隨碰撞參數(shù)b ；圓圈、方框、三角分別表示= 2，3，4。這里兩體部分子散射截3 mbn vn （n3，4）在中心快度隨碰撞參數(shù)b 的變化關(guān)系圖。上圖隨vn b ；圓圈、方框、三角分別插圖T 模擬的200GeVAu+Au（n = b 的變化關(guān)系圖。圖中，實心點、空心點、空心點線分別表示部分子兩體散射截面為：3mb、6mb、10mb三角分別表示n2，3，4插圖T 模擬的200GeVAu+Au（n = b 的變化關(guān)系圖。圖中，實心點、空心點、空心點線分別表示部分子兩體散射截面為：3mb、6mb、10mb三角分別表示n2，3，4T模擬200GeVAu+Au 2.76 Te

14、V Pb+Pb 碰 0.55GeV 的低橫動量區(qū)n T 模擬的Au+Au 200GeV 和Pb +Pb 線分別表2.76GeV 080碰撞的數(shù)據(jù)，這 流4)n=2（bKET 對應(yīng)n=3（c）對應(yīng)n=43mb表示未考慮初始漲落的情況。插圖T 模擬的 200 GeV Au+Au 1020203030404050(n=3,4) 與橫動的依賴關(guān)系。(a)圖22況，(bv4/v210 20% 插圖T 模擬的 200 GeV Au+Au 1020203030404050(n=3,4) 與橫動的依賴關(guān)系。(a)圖22況，(bv4/v210 20% 的情況，23mb3049T 2.76 TeV 的Pb+Pb

15、0 80%中心快度區(qū)域，粒子p,k, 的橢圓(n=2，3，4)和 n=2（bn=3（c應(yīng)n=43mbT 2.76 TeV 的Pb+Pb np,k, n=2（n=3（c）對應(yīng)n=43mbT 模擬的 2.76 TeV Pb+Pb 組分夸克數(shù) n 標度后的 p,k 的橢圓流(n=2，4)與所有強子的橢圓流 (n=2，3，4)KET 的依賴關(guān)系。（a）對應(yīng)n=2（b）對應(yīng)n=3（c）能應(yīng)n=43mbT200GeV的Au+Au04060下，CFB 的依賴關(guān)系。(a)0.5 | | |1.0 的情況，(b)3.0= 0 （LK F= 1/4 的情況。其中贗跨度區(qū)間為0.5| |1.03 mb 間（0.5

16、| | 1.0 1.0 | 間（0.5 | | 1.0 1.0 | | 2.0 2.0 | | 3.0 3.0 | | 4.0）CFB(v2CFB(e2CF B(v2) ，空心點表示 CF B(e2) （a）0.5 | | 1.0 1.0 | | 2.02.0 | | 3.0 3mb3.0 | | | 4.0 T模擬的200 GeVAu+Au 碰撞中020中心度下FB F 和橫動在三種不贗快度間隔情況下的依賴關(guān)系。對 FB BB FF 0.5 | |0.75 時，以實心圓圈、方塊、正三角0.75| |1.0示。當 0.5 | 1 | 0.75 0.75 | 2 | 1.0 時，由實心五角、倒實

17、心三角表示 F BB 空3 mb上圖 5.21中非同一區(qū)間的關(guān)聯(lián)放大況T模擬200GeVAu+Au碰撞0 20% 中心度下、CLR 0.5 | | 0.75 0.75 | | 0.5 | 1 | 0.75 0.75 | 2 | 1.0 0.5 | | 1.0 3 mb到古希臘關(guān)于原子觀的爭論；從1897年湯姆遜確定電子的存在，到1911瑟福 粒子大角度彈性散射實驗證實了原子是由原子核與和外電子；從1919年盧瑟福首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)，利用 粒子從氮核打出質(zhì)子，到1932 到古希臘關(guān)于原子觀的爭論；從1897年湯姆遜確定電子的存在，到1911瑟福 粒子大角度彈性散射實驗證實了原子是由原子核與和外電

18、子；從1919年盧瑟福首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)，利用 粒子從氮核打出質(zhì)子，到1932 結(jié)構(gòu)，1961 年蓋爾曼等人提出了標準模型，該27。夸克之間的相互作用，可以用量子色動力學(xué)（QCD）來描述。量子色動而夸克解禁出來而形成夸克膠子等離子體（Quark Gluon Plasma。標準模。重子又分為核子（包括質(zhì)子和中子2和超子（含有奇異夸克的重子及各強子態(tài)同位旋和奇異數(shù)的SU(3)克模型28，認為三種不同“味”的夸克，up（u、down2和超子（含有奇異夸克的重子及各強子態(tài)同位旋和奇異數(shù)的SU(3)克模型28，認為三種不同“味”的夸克，up（u、down（d、strange（s，等人發(fā)現(xiàn)J/ 發(fā)現(xiàn)粒子，

19、人們逐漸接受了新的“味”夸克：charm （c）和bottom（b。伴著最終給出top（t）夸克質(zhì)量，基于三代輕子、三代夸克，以1.1 粒子物理標準模型（Standard標準模型總共包括61種基本粒子自身，同時含有八種顏色，所以總共有8種膠子；由于傳遞電磁相互3子的反粒子為自身，同時是無色的，所以總共有用的 玻色子有反粒子，同時是無色的，所以總共有種 玻色子；而傳遞弱相互作用的 玻色子反粒子為自身，同時是無色的，所以總共有種 玻色子。的 反粒子為自身，同時是無3子的反粒子為自身，同時是無色的，所以總共有用的 玻色子有反粒子，同時是無色的，所以總共有種 玻色子；而傳遞弱相互作用的 玻色子反粒子為

20、自身，同時是無色的，所以總共有種 玻色子。的 反粒子為自身，同時是無的，所以總共有種 。這里子引力子，未能包括在標準模型中的 構(gòu)建的標準模型，描述了迄今為止所有已知的基本粒子，這其中電、，而對于，都帶有的電荷。除了帶電荷， 每個夸克都有三種不同的荷） （ 、 （ 、 （ ）中的一種。而傳遞夸克間相互作用的理論，就是量子色動力學(xué)（ 荷）量子色動力三種色荷生成的 規(guī)范不變性，引出了色膠子場，進而建立了描述強相互作用動力學(xué)的規(guī)范理論，量子色動力學(xué)（ 導(dǎo)致它在真空中會散射和吸收膠子，從而兩個色荷間傳遞的動量越小（色荷間距離越遠，被測得的色荷越大，兩個色荷之間的作用就越強，使得兩越大（兩個色荷間距離越近

21、4 的耦合常數(shù)與動量轉(zhuǎn)移的關(guān)系 ln24 的耦合常數(shù)與動量轉(zhuǎn)移的關(guān)系 ln2其中n 表示夸克的“代”數(shù)目。參數(shù) 圖 果不同實驗測量到的強相互作用耦合常數(shù)，紅虛線為 計算的結(jié)從與動量轉(zhuǎn)移關(guān)系式可以發(fā)現(xiàn)，耦合常數(shù)是隨著動量轉(zhuǎn)移的大小跑的，如圖 很小，所以可以用微擾 from PDG experimental po 0 5的時空格點上的格點QCD 來處理 29。在給出格點QCD對這種非微擾夸克膠子系統(tǒng)的描述之前，先簡要介紹下口袋模型對如何獲得解禁后的強子相克膠子等離子體（QGP5的時空格點上的格點QCD 來處理 29。在給出格點QCD對這種非微擾夸克膠子系統(tǒng)的描述之前，先簡要介紹下口袋模型對如何獲得

22、解禁后的強子相克膠子等離子體（QGP）的建議29, 30（在袋子中力，是一個考慮了Q非微擾效應(yīng)而引入的一個唯象量。由于強子的色中性，括q 和態(tài)。半徑為的口袋內(nèi)無質(zhì)量夸克的波函由Dirc方程給出。同時夸克“色禁閉”波函數(shù)應(yīng)該滿足的邊界條件是，夸克的矢量的向分在表為零即求夸的標密在半為為零進 2.403 ，可見，對于一個袋中有N個夸克R系統(tǒng)（此處N1的夸克的總動能與R 成反比，即隨著袋子的半徑R差就是袋壓力B。N個夸E3系統(tǒng)平衡時，系統(tǒng)能量取極小值（由dE/dR = 0確定，由此給出袋壓力BB1/4 = (2.043N)1/4 RR的重子系統(tǒng)半徑為fm，取三夸到袋壓B =234.9MeV 6具La

23、ttice QCD計算的強相互作用物質(zhì)中多種味組合下 /T 4 隨溫度T演6具Lattice QCD計算的強相互作用物質(zhì)中多種味組合下 /T 4 隨溫度T演化圖象，右邊箭頭表示理想Stefan-極限2格點QCD計算進一步能密下（Tc 150， 在足夠高的溫度180MeV ,c 13GeV/fm3（核物質(zhì)對應(yīng)的能量密度值是 .17GeVfm3，夸克可以從強子中解禁出來，形成新的物質(zhì)相夸克膠子等離子體（QGP。如圖1.3 所示。圖中給出了能量密度隨著溫度的變化趨勢。可以發(fā)現(xiàn)，在溫度達到臨界溫度T，系統(tǒng)的能量密度迅速上升，并逐漸達到飽和，這表明在臨界溫度附近發(fā)生了相變，意味著發(fā)生了從強子相到夸克膠子

24、相的轉(zhuǎn)變。圖中還給出了夸克味道的依賴性，以及Stefan-Boltzmann7格點C計算的結(jié)果顯示，并沒有達到這一理想的夸克膠子無相互作用的極限，這就意味著在這個溫度區(qū)間解禁的夸克膠子間存在著非常強的相互作用（sQGPQCD相能量密度 （即提高夸克物質(zhì)的向外袋壓力P = 3子是無相互作用，無質(zhì)量的理性化的，并且凈重子數(shù)為零。夸克（反夸克）服從F-D統(tǒng)計，具有費米7格點C計算的結(jié)果顯示，并沒有達到這一理想的夸克膠子無相互作用的極限，這就意味著在這個溫度區(qū)間解禁的夸克膠子間存在著非常強的相互作用（sQGPQCD相能量密度 （即提高夸克物質(zhì)的向外袋壓力P = 3子是無相互作用，無質(zhì)量的理性化的，并且

25、凈重子數(shù)為零。夸克（反夸克）服從F-D統(tǒng)計，具有費米動量q(q)（也稱化學(xué)勢；膠子服從B-E算在溫度T 下，其能量密度和壓力為29, =gtotal304=gtotal904P= gg + 7(gq + gq) (gg、gq、gq8度)值= 8 2；對于夸克的簡并度gq，它依賴于所考慮的味的數(shù)目。夸克和夸克的簡并度gq，gq有以下關(guān)系NcNsNf，其中Nc(=3)表示色數(shù) 3種味的情況，總的簡并度的壓力P、能量密度= 37，因此夸克膠子等離子體在溫度為T 4P = 84 = Tc = 將上一節(jié)所估計的重子袋壓力B = fm3，有 145MeV對于由于袋內(nèi)壓力達到足以引起夸克物質(zhì)解禁的情況， 還

26、可以發(fā)生在T = 0的情況下，這就是另一種解禁夸克物質(zhì)的途徑。考慮袋內(nèi)的夸克物質(zhì)84 = Tc = 將上一節(jié)所估計的重子袋壓力B = fm3，有 145MeV對于由于袋內(nèi)壓力達到足以引起夸克物質(zhì)解禁的情況， 還可以發(fā)生在T = 0的情況下，這就是另一種解禁夸克物質(zhì)的途徑。考慮袋內(nèi)的夸克物質(zhì)同的態(tài)，從而導(dǎo)致了隨著夸克密度的增大，夸克所占有的態(tài)的動量越來越大。地增大，以致夸克氣體由于簡并性而引起的的壓力超過袋壓力，那么袋壓力將不能維持袋的完整性，從而夸克物質(zhì)得以解禁。由于每個夸克所帶重子數(shù)為 1/，因此高夸克密度對應(yīng)著高重子密度，所以可以知道在重子數(shù)密度很大的 344n= = (4n) , nqc

27、 = 4(242B3假設(shè)體系中只有u、d夸克，則夸克物質(zhì)的簡并度gq 12袋壓力B = fm3，則使強子物質(zhì)在T=0時變?yōu)楦咧刈恿康目淇?質(zhì)的臨界重子數(shù)密度nBC和臨界化學(xué)勢u,dnBC =0.72fm9質(zhì)的臨界重子數(shù)密度nBC和臨界化學(xué)勢u,dnBC =0.72fm3, u,d =0.14fm3，可以看出臨界重數(shù)密度是正常核物質(zhì)密度的約5倍。當體系在溫度T=0從以上的介紹可知，在兩種 情況下：溫度非常高（150MeV，凈重子數(shù)密度為零時；溫度為零，重子密度約為平衡態(tài)核物質(zhì)密度的5倍時，夸克物質(zhì)可能會得以解除禁閉，形成夸克物質(zhì)夸克膠子等離子體。對于體系處壓力的共同作用下，存在一個使夸克物質(zhì)得以

28、解禁的介于T = 0和凈重子數(shù)為格點QCD下，夸克的確可以從強子中解禁出來，形成新的物質(zhì)相夸克膠子等離子（QGP，給出了物質(zhì)狀態(tài)隨溫度Tch 和重子化學(xué)勢B的強子會向解禁的夸克膠子等離子體轉(zhuǎn)變，并且在低溫更高化學(xué)勢的區(qū)域，會 phase，(CFL) phase大條件下產(chǎn)生并研究這種高溫高密度物質(zhì)態(tài)-夸克膠子等子體呢？研究發(fā)現(xiàn)，極高能量下的核-核碰撞所產(chǎn)生的高能量密度能夠用來生夸克膠子等離子體。下一章將介紹這種極高能量下的核-核碰撞1.4: 格點QCD計算的由溫度與重子化學(xué)勢所表示的核物質(zhì)相變圖像。圖中紅點表示強子相向QGP 轉(zhuǎn)化的臨界點。本的主要內(nèi)容和結(jié)本1.4: 格點QCD計算的由溫度與重子

29、化學(xué)勢所表示的核物質(zhì)相變圖像。圖中紅點表示強子相向QGP 轉(zhuǎn)化的臨界點。本的主要內(nèi)容和結(jié)本本文在含有部分子級聯(lián)機制的多相輸運模型T）框架內(nèi)重點研究相對論重離子碰撞（200 GeV 的Au+Au ，2.76 TeV 的Pb+Pb ）強。另外還發(fā)現(xiàn)考慮初始，RHIC 能區(qū)和LHC 能區(qū)下，n 階集體流都 （ 出組分夸克數(shù)標度。這些特征意味著在 能區(qū)和 ） （ 出組分夸克數(shù)標度。這些特征意味著在 能區(qū)和 ）本文在含有部分子級聯(lián)機制的多相輸運模型對論重離子碰撞（ ）中初始漲落對用來提取末態(tài)橢圓流注貢獻的方法，即橢圓流（v2 ）前后（贗）快度關(guān)聯(lián)（ ） 本；相對論重離子碰撞與夸克膠子等離子A4 相對論重

30、離子碰撞與夸克膠子等離子A4 的原子核，現(xiàn)在多指 A16 依據(jù)兩個核的沿束流方向的中心距離，也就是碰撞參數(shù)b 撞，對應(yīng)中心度為 0% 。隨著碰撞參數(shù)b 增大，碰撞逐漸向周邊碰撞發(fā)展方向行進，速度幾乎不減少，稱為旁觀者-核相互作的相對論效應(yīng)，碰撞方向上（Z 方向）似于兩個薄圓盤，兩個核中核子-核子的初次碰撞幾乎同時發(fā)生，從而在碰撞區(qū)域參與者損失的能量近似可以疊加。當能量非常高的時候（在質(zhì)心系中每10MV 左右，碰撞后的核子仍有足夠的能量繼續(xù)穿過碰撞區(qū)域，使得在碰撞區(qū)域瞬間沉積大量的能量，產(chǎn)生極高能量密度的物質(zhì)形態(tài)夸克膠子等離子體（GP 。由于早期宇宙的存在夸克膠子等離子體，所以對GP 2.1 A

31、 B 代表兩束互相對撞的束流，左圖右半部分表示經(jīng)歷 QGP 相變歷 QGP 第一階段都是由A 和B 對撞產(chǎn)生的一個預(yù)平衡階段。對于未發(fā)生 QGP 的情況，碰撞區(qū)將按照預(yù)平衡階段、強子化階段、強子氣演化階段和強子熱逸出階段依次演化下去。而對于發(fā)生了 QGP 相變的相對論重離子碰撞，碰撞區(qū)域?qū)⒁来?經(jīng)歷預(yù)平衡階段（Pre-Equilibrium Ph第一階段都是由A 和B 對撞產(chǎn)生的一個預(yù)平衡階段。對于未發(fā)生 QGP 的情況，碰撞區(qū)將按照預(yù)平衡階段、強子化階段、強子氣演化階段和強子熱逸出階段依次演化下去。而對于發(fā)生了 QGP 相變的相對論重離子碰撞，碰撞區(qū)域?qū)⒁来?經(jīng)歷預(yù)平衡階段（Pre-Equi

32、librium Phase、夸克膠子等離子體流體演化階段（QGP 、強子化階段（Mixed Phase、強子氣演化階段（Hadron Gas）和強圖 2.1: 重離子碰撞時空演3預(yù)平衡階段（Pre-Equilibrium ：如圖 2.1 所示，兩束束流對撞后，碰撞區(qū)域溫度迅速升高的過程中，部分子發(fā)生發(fā)生激烈的高橫動量的碰撞lass （CGC）模型32 和微擾QCD 模型33, 34 等。經(jīng)過大約t 1 fm/c 后,夸克膠子等離子體（QGP）演化階段：演化。體系的演化可以由以下方程描述：T(x) = uu(x) + P(x) gPT(x) = 其中 x 代表微小流體元的相空間位置， T (x)

33、 是體系能動量張量， (x) P (x) 分其中 x 代表微小流體元的相空間位置， T (x) 是體系能動量張量， (x) P (x) 分別是能量密度和壓強(x)=0 P = 經(jīng)過一個較長的膨脹時間( t 5 fm/c ) 強子化階段（ Mixed Phase ：當溫度下降到夸克膠子等離子體向強子物互轉(zhuǎn)化，經(jīng)歷較長的時間( t 10 fm/c ) Tch 撞幾近停止，不同強子數(shù)量比例基本固定，此時系統(tǒng)達到化學(xué)平衡Equilibrium， 稱為化學(xué)平衡溫度（ChemicalFreeze-outemperature。此強子氣演化階段（Hadron Gas ：系統(tǒng)達到化學(xué)平衡后，隨著系統(tǒng)的演empe

34、rature（ fm/c，相對論重離子碰撞中常用的理論模理釋了實驗上的一些現(xiàn)象。比較著名的模型有：流體力學(xué)模型， 模型T 模型， URQMD 模型等等。由于模型眾多，下面僅僅對流體力學(xué)模和與相關(guān)的兩個模型HIJING 模型和T 相對論重離子碰撞中產(chǎn)生的夸克膠子等離子體，如上節(jié)所的，形成后會迅速地?zé)後屃藢嶒炆系囊恍┈F(xiàn)象。比較著名的模型有：流體力學(xué)模型， 模型T 模型， URQMD 模型等等。由于模型眾多，下面僅僅對流體力學(xué)模和與相關(guān)的兩個模型HIJING 模型和T 相對論重離子碰撞中產(chǎn)生的夸克膠子等離子體，如上節(jié)所的，形成后會迅速地?zé)峄诠逃袝r（0）達到局域熱平衡，具有初始能量密度mT dN

35、+ p2 為粒子的橫向質(zhì)量，A 0T面積表示參與碰撞的核子的快度分布）35，隨后體系體力學(xué)模型29可由能量密度，壓力P ，溫度T，以及四速度u=x來描述。而能量密度和壓力P則是在相應(yīng)時空點流元速度為零該點流速為（1，0，00 ）標系中測得。能量密度，壓力P ，溫度T 三者滿足態(tài)方程 = (P, T)量動量張量T ，其表示為垂直于方向三維表面積上沿著比如T 00表示為垂直于0方向垂直于0 方向三維表面積就是空體積。在的參考系FT x1 x2 = 。類似地，T 11表示為垂直于1三維表面積就是 t x2 x3上沿著1方向的動量，而垂直于1中，T P 。由于 的參考系F= t x2 此 P 表示作用

36、在由2、3方向面積上的沿1方向的壓力。對Pij t x2 一個各向壓力同性的流，有T 度u運動，通過張量變換，T T=(+P)uu 當兩個核以每核子的能量 200 GeV 碰撞時，核子的快度分布在中心快度區(qū)域存在結(jié)構(gòu)，這表明快度分布在一定范圍內(nèi)是近似為常數(shù)的= dN |y=0。Bjorken的流體力學(xué)模型 35認為這種快度密度的不變性dN LR近似地看作是一個具有縱向變換對稱性的理想連續(xù)體（即快度區(qū)間內(nèi)不同= dN |y=0。Bjorken的流體力學(xué)模型 35認為這種快度密度的不變性dN LR近似地看作是一個具有縱向變換對稱性的理想連續(xù)體（即快度區(qū)間內(nèi)不同=(P=T=T(T= 另外速度場u需要

37、滿dx d u u = g=1標的二維時空中的等離子的流體動力學(xué)。由式 2.7和2.8度0和初始縱向速度場（ = tanh y）P t + ( +P= P 3因此，式 2.9 4 =3 ( =P( =對于理想相對論氣體，其能量密度和壓力正比于溫度因此，式 2.9 4 =3 ( =P( =對于理想相對論氣體，其能量密度和壓力正比于溫度的四次方17）T 與固有時 的依賴 T(=( T( 0nq( nq( ng( =Bjorken的流體力學(xué)模型可以概括夸克膠子等離子體的動力學(xué)演化（這夸克膠子等離子體被理想地描述為一種相對論氣體。在固有時為 0時夸克膠子等離子體達到局域熱平衡，并且初始能量密度為0，同

38、時初始溫度T (0)正比于初始能量密度的四分之一次方（1/4。隨著系統(tǒng)的繼續(xù)演化，能量密度和壓力均隨著固有時以 4/3下降，而溫度隨著固有時以 1/3下降。溫利用上面得到的關(guān)系，可以得到熵密度s(s = +P )與固有時的關(guān)T()+ P(T ( (0=(0)+ P(0) T(T(0)30= f()1 cf() (f(c)gqg+f()1 cf() (f(c)gqg+1f( 其中夸克膠子等離子體的簡并數(shù) 強子物質(zhì)簡并數(shù) 3（里認為強子物質(zhì)由介子在固有時 h時=相， 其中混合態(tài)結(jié)束強子物質(zhì)態(tài)剛剛形成（即化學(xué)凍結(jié)gqg f(c) + 1 f(c)3/4c。如果相變即將開始時夸克膠子等離子體所占比重f

39、(c) = 1，則系統(tǒng)在約為隨固有時的變化關(guān)系依然成立，只是其中的0需要用h替換。強子物質(zhì)的溫HIJING模型簡HIJING ( Heavy-Ion eraction Generator )36卡羅模擬的事件產(chǎn)生器，可以模擬高能強子-強子或者核-子的產(chǎn)生。在 HIJING 模型中，核子- （Jet，其中的部分子首先按照快度方向進行排列，然后和領(lǐng)頭夸克（ldiqurk）或雙夸克（di-qurs）一起形成一些激發(fā)弦，這些激發(fā)弦再碎裂為末態(tài)強子。而對于軟過程，也就是沒有產(chǎn)生噴注的反應(yīng)，主要采用多弦機制（multiple string）在HIJING模型中，硬過程產(chǎn)生的粒子主要來自于噴注（Jet）（以

40、它和參與碰撞的核子數(shù)T模型簡T ( A Multi-Phase Transport )18 T （由 HIJING 模型完成在HIJING模型中，硬過程產(chǎn)生的粒子主要來自于噴注（Jet）（以它和參與碰撞的核子數(shù)T模型簡T ( A Multi-Phase Transport )18 T （由 HIJING 模型完成、部分子相互作用（由 ZPC 完成、強子化（D弦碎裂模型完成或者由夸克組合模型完成、強子再散射（由 ART 完成。依T 分為T 和T T 中采用夸克組合模型。在 T D 2.2T 和T 2.2: T(左圖) 和T(右圖) T 中，相空間的初始化是由相空間初始化（HIJING 模型 36

41、來完成的。在該模型中， 兩個對撞核的核子徑向密度分布是采用 Woods-Saxon 分布描述的。碰撞區(qū)域的核子的相互作用過程有硬過程和軟過（pQCD）描述，產(chǎn)生 minijet 部分子；而軟過程中相互作用中動量傳遞較小，是非微擾的，由弦形成機制模擬，形成激發(fā)弦。在 T 中，激發(fā)弦通D 37弦碎裂成強子，然后產(chǎn)T 中，相空間的初始化是由相空間初始化（HIJING 模型 36來完成的。在該模型中， 兩個對撞核的核子徑向密度分布是采用 Woods-Saxon 分布描述的。碰撞區(qū)域的核子的相互作用過程有硬過程和軟過（pQCD）描述，產(chǎn)生 minijet 部分子；而軟過程中相互作用中動量傳遞較小，是非微

42、擾的，由弦形成機制模擬，形成激發(fā)弦。在 T 中，激發(fā)弦通D 37弦碎裂成強子，然后產(chǎn)生的強子根據(jù)它們的味和自旋被分解成為部分子弦的融化。u、d、的流質(zhì)量分5.6MeV/c2,9.9MeV/c2,= 199MeV/c2=部分子相互作用（ZPC：minijet子之間的相互作用級聯(lián)過程（部分子的輸運過程）ZPC （ Zhangs Cascade ） 38 描述。這個過程利輸運方程描述相空間演化，當個部分子距離小于 / 為部分子相互作用截面。目前 ZPC 1=s (12(t 2 st Mandelstam 10mbT T minijet 部分子完成ZPC 階段的演化后，將與其母弦（parent 形成激

43、發(fā)弦（excited string，通D 弦碎裂模型形成強子。而對T，當部分子完成演化后，使用簡單的夸克組合模型quark coalescence 0.7 fm/c（反夸克）強子再散射（ ART ：強子化過程結(jié)束后，所有強子將發(fā)生再散射的相ART39ART 、 KKN強子再散射（ ART ：強子化過程結(jié)束后，所有強子將發(fā)生再散射的相ART39ART 、 KKNN(1440N(1535) ART 考K RHIC ART 夠很好地40, 41相對論重離子碰撞的實驗由于夸克膠子等離子體（QGP）(GSI)(SIS)質(zhì)子與離子研究裝置(FAIR)(CERN)器(SPS) 和大型強子對撞機(LHC)(B

44、NL)(AGS) 和相對論重離子對撞機(RHIC)下面將要簡要介紹一下正在運行的 BNL 的相對論重離子對撞機Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC)，以及RHIC 器Solenoidal Tracker At RHIC(STAR)相對論重離子對撞機Relativistic Heavy Ion 相對論重離子對撞機)的建造計劃提出于1983年，并于1991年開建造，正式完成于1999 年，于次年2000年開始正式運行。RHIC臺可以把對撞重離子的質(zhì)心系能量提高到sNN = 其對應(yīng)的質(zhì)心能量達到固定靶重離子碰撞實驗?zāi)芰康氖畮妆痘蚋摺HC自運行以來取得了大量豐碩

45、的物理成果，極大地豐富了人類對高溫高密條件下物2.3: 其對應(yīng)的質(zhì)心能量達到固定靶重離子碰撞實驗?zāi)芰康氖畮妆痘蚋摺HC自運行以來取得了大量豐碩的物理成果，極大地豐富了人類對高溫高密條件下物2.3: 2.1給出了RHICRHIC 主要是由一系列離子連接組成，圖 2.3 給出了RHIC(Tandem Van de Graa)速器（Linac 、增壓器(Booster)和交變梯(Alternating 金離子束流從脈沖濺射離子源(pulsed sputter ion source)(TandemVandeGraa)（過Linear Accelerator (LINAC)，15 MeV 離子所帶電

46、荷數(shù)為 -；然后束流通過位于兩個范德格拉夫串列靜電加 部分 器(Tandem Van de Graa) 之間的剝離膜（ 進一步剝離，剝離后其所帶電荷達到 ，并使核子獲得 的能量后，束流進入第二個剝離膜，并使金離子獲得 束流然后被注入周 的回增強器 速器 ，然后被注入到 經(jīng)過在半徑 的 中回旋加速，束流中的每個核子能量達 。隨后在被最后一個剝離膜完全剝離掉軌道電子后，金核的束流過 （ ）的 環(huán)。在 束流線的終端（即注入 環(huán)的連接點 環(huán)，在外加磁鐵的作用下它們在 在 位置的 位置的 和 位置的 STAR PHENIX 2000 2013年之間， RHIC 已經(jīng)成功進行了 200GeV、130GeV

47、62GeV、39GeV、27GeV、19GeV、11 GeV，7.7 GeV p+pd+Au、和U+U 的相關(guān)碰撞實驗，具體參考表 2.2表2.2: STAR PHENIX 2000 2013年之間， RHIC 已經(jīng)成功進行了 200GeV、130GeV62GeV、39GeV、27GeV、19GeV、11 GeV，7.7 GeV p+pd+Au、和U+U 的相關(guān)碰撞實驗，具體參考表 2.2表2.2: 2.3.2 STAR STAR( Solenoidal Tracker At RHIC ) 42 RHIC 對撞機上的一個主QGP STAR 具有覆蓋整Run-Run-Run-3(2002-Run

48、-4(20003-200, Run-5(2004-Run-6 Run-Run-8(2007-Run-9(2008-Run-Run-11(2010-19.6, 200, Run-12(2011-200, 圖STAR探測器三維圖2.4 為整個 STAR 譜儀的示意圖。組成 STAR 譜儀的探測器包括：用圖STAR探測器三維圖2.4 為整個 STAR 譜儀的示意圖。組成 STAR 譜儀的探測器包括：用作粒子徑跡重建的時間投影室( Time Projection Chamber,TPC )和前向的時間投影室( pair of radial-drift Forward TPC, FTPC )、用于測量粒

49、子沉積能量的桶部電磁量能器( Barrel ElectroMagnetic Calorimeter, BEMC )的電磁量能器(Endcap ElectroMagnetic Calorimeter, EEMC)、以及飛行時間譜儀( Time-Of-Flight detector, TOF ) 子望遠鏡探測器( Detector )、束流探測器( Beam Beam Counters, BBC )、零度量能器( Zero Degree Calorimeters, ZDC )、贗頂點探測器( pseudo-Vertex ition Detectors, pVPDs )、契倫科夫探測器( Ring-

50、Imaging Cerenkov Retector, RICH )、前向強子量能器ForwardHadronCalorimeter、重味夸克徑跡探測器（HeavyFlavorTracker，HFT）2.5 給出了 STAR 都集中在環(huán)形的磁鐵當中，其中時間投影室(TPC)2.5: STAR室(TPC)4 2.5: STAR室(TPC)4 4 米的圓筒。它的探測范圍覆| 1.8 ，主要用來探測中快度區(qū)域帶電粒子的動量信息。兩個前向的時間投影室(FTPC) 位于頂點探測器2.5 | 4 ，從而拓展了 TPC 在快度方向的測量范圍。 TPC 外面是飛行時間譜儀（TOF，TPC 聯(lián)合后能夠更大限度地提

51、高粒子鑒別能力。再往外的桶狀電磁量能器( BEMC )和端部的電磁量能器(EEMC) 位于時間投影室的外部，被螺旋磁鐵包圍，可以用來做高橫動量的輕子和光子的鑒別。 STAR 的螺旋磁鐵可以提供在束流方0.250.50T 器escope Detector, M T D 。在束流方向依次主要有碰撞頂點附的重味夸克徑跡探測器（Heavy Flavor Tracker, HFT）的量能器(ZDC) 磁鐵（magnet： 的量能器(ZDC) 磁鐵（magnet： 5.27 m，使得大部分探測器都0.25-0.5 TSTAR 可以設(shè)置其磁場為全磁場、反轉(zhuǎn)磁場和半邊磁場。 STAR 磁鐵的詳細介紹請參考43

52、。時間投影室圖 2.6: STAR時間投影室TPC時間投影室（TPC）44 作為 STAR 大的探測范圍：贗快度范圍為 | 1.8 ，覆蓋整個方位角（ = 2 2.6顯示的是時間投影室的三以碰撞中產(chǎn)生的大量粒子的信息。圖4.2cm0.5m2的一個陰極膜(cathode membrane, CM)2.1 m。在28 kV 為 135 V/m 的漂移區(qū)中勻速漂移。兩個漂移區(qū)的體積大約為 24.75m3 ，里的一個陰極膜(cathode membrane, CM)2.1 m。在28 kV 為 135 V/m 的漂移區(qū)中勻速漂移。兩個漂移區(qū)的體積大約為 24.75m3 ，里面滿了90% 的氬氣10%

53、的甲烷所組氣體，整個氣體的2 mbar 2.3: 部分STAR在高能質(zhì)子-質(zhì)子和核-核對撞產(chǎn)生的大量帶電粒子，它們的動量主要集中在 10 M/c 產(chǎn)生電離從而損失能量。一個大氣壓下，這種損失的能量大約為幾千個電子伏/厘米。因此在整個飛行的路徑2mV 。這些5.45cm/sSTAR 時間投影室的讀出電子學(xué)設(shè)計和世界上其它大型實驗裝置（NA49 ）RHIC STAR 時間投影室（TPC）做了必要的改進。TPC 24 讀出區(qū)（每邊對稱的分布著 12 個）之間的空隙僅為 3 mm，這樣就盡可能Number of Anode Number of Cathode 28Drift Atmospheric+2

54、Signal to Noise Drift 5.45 cm/sTransverse 230 m/Longitudinal 360 2.7: TPC132.7: TPC133942 個讀出片（6.2 19.5mm2。這樣，每個讀出區(qū)總共有 45 個讀出排，24個扇形讀出區(qū)總計有 136608個讀出片。因此，當帶電粒子穿過時間投影室時，最多有 45 個讀出信號。另外，每個讀出區(qū)內(nèi)比室(Multi Wire Proportional Chambers，MWPC)量。具體的讀出電子學(xué)及信號的處理可以參考 45。表格2.4給出了讀量。具體的讀出電子學(xué)及信號的處理可以參考 45。表格2.4給出了讀出系統(tǒng)的

55、2.8: 帶電粒子徑跡穿過TPCInnerOuter Pad 2.85mm11.56.20 mm 19.5 Isolation Gap n Pad Number of Anode Wire to lane Anode 1170 1390 Anode Gas 帶電粒子在TPC的能量損失( dE 可以用Bethe-BlochZz2ln dE = 22N0rem其中z 為粒子的電荷（以e 帶電粒子在TPC的能量損失( dE 可以用Bethe-BlochZz2ln dE = 22N0rem其中z 為粒子的電荷（以e =v/c 為粒子的速度, c 速，Z 為氣體的原子序數(shù)，A 為氣體的原子量， = 1

56、2 ，I 為平均2mec22/(1 =2) p0.8 GeV/c ，K p量損失的測量可以用來進行粒子鑒別（Particle圖 2.8 給出了在STAR的TPC探測器中測量到的不同粒子的能量損失Au+Au dE/dx 和K 分辨到 0.7 GeV/cp 、p 和K 分辨到 1.1 GeV/cK0、，利用鑒別出來的、K、p，結(jié)合STAR S0.3 7.0 GeV/c 量時統(tǒng)計急劇下降，限制了信號的精確度。對于強衰變粒子，例如K、pT 5.0 GeV/c 粒子鑒別n n 1 log nRdEdxX 是粒子種類（e、Kp X R dE/dx 的分辨率（6% 10% Z = ln X Z = ln X

57、 |expected dE/dx|measured 是某條徑跡測量到的 dEdx對于某種粒子X 定粒子（X）（d、t、3He，可以利用Bichsel function 計算給出飛行時間譜儀(Time-Of-STAR的飛行時間譜儀(Time-Of-Flight，TOF) 46, 47 是基于多氣隙電阻板室(Multi-Resistive Plate Chamber，MRPC)技術(shù)而建造的探測器。它位于時間投影室和桶形電磁量能器之間，總共由 120 片組成，東西兩邊各 60 片。每一32 道。總計有 23040 個讀出道。結(jié)合贗頂點探測器（pVPD）測量的碰撞初始時間和時間投影室（TPC）測量的徑

58、跡長度，可以計算出粒子飛行的時間 t 和飛。TOF| 0.2 GeV/c 范圍的STAR飛行時間譜儀的主要部分MRPC是由STAR-為主來完成的。2003年TOF在STAR探測器上，從2010年起完整的TOF電磁量能器（Barrel ElectroMagnetic Calorimeter, BEMC電磁量能器（ElectroMagnetic Calorimeter，2.9: 200 GeV d+Au TOF 測得的粒子速度倒數(shù)2.9: 200 GeV d+Au TOF 測得的粒子速度倒數(shù)（1/）相對動量的分布圖。右上方內(nèi)嵌的圖為由粒子速度計算出來的粒子不變質(zhì)量的平方m2(m2 = p2(1/2

59、 1)分布。的粒子和其它粒子（ 介子、0介子）STAR 的桶形電磁量能器BarrelElectroMagnetic Calorimeter,BE- MC ) 48：桶形電磁量能器安裝在時間投影室的外面，由120塊橫截面為梯形，長為293cm，寬為26cm的量能器模塊組成的。它可以覆蓋整個方位角，在| 1 ，因此可以完全重構(gòu)TPC的粒子徑跡。圖2.10給出了桶形電磁量能器橫向與縱向示意圖桶形電磁量能器的120個模塊桶的左右兩個半?yún)^(qū)（East and west，其中每個半?yún)^(qū)60個模塊，每個模塊方位角方向跨度為 6，快度方向 1區(qū)間。每個模塊進一步分成40個塔（tower，其中沿著方向有兩排，沿著方

60、向有20個，每個塔覆蓋方位角方向 3，快度方向 0.05個區(qū)間，因此整個桶形電磁量能器（BEMC）共有4800桶形電磁量能器（BEMC）光子簇射計數(shù)器。桶形電磁量能器（BEMC）具有比較大的面積以及比較復(fù)形電磁量能器（BEMC）組成是作為簇射介質(zhì)的鉛閃爍堆以及位于距桶形電磁量能器（BEMC）內(nèi)表面約5個輻射長度的簇射極大探測器um桶形電磁量能器（BEMC）光子簇射計數(shù)器。桶形電磁量能器（BEMC）具有比較大的面積以及比較復(fù)形電磁量能器（BEMC）組成是作為簇射介質(zhì)的鉛閃爍堆以及位于距桶形電磁量能器（BEMC）內(nèi)表面約5個輻射長度的簇射極大探測器um Detector 鉛閃爍堆又是由20層5mm