SPS-LHC能区共振态粒子的产生

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量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD)理论预言,在某些极端环境下(如温度极高、能量密度极大的条件下),被禁闭的强子物质可能会转变成一种全新的物质状态——夸克胶子等离子体态(Quark Gluon Plasma,简称QGP),其中夸克和胶子处于自由退禁闭状态。研究这种新物态对人们认识物质的起源以及宇宙的早期演化具有重要意义。美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的相对论重离子对撞机(RHIC)和欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)实验能够提供产生QGP的高温高密条件,并积累了海量的实验数据,这为QGP这种新物态各种性质的研究提供了绝佳机会。QGP的末态产物是大量的、数以千计的各种强子(以及光子和轻子),其中,强子共振态特别是奇异强子共振态是研究相对论重离子碰撞中夸克胶子等离子体的有效探针之一。由于它们的寿命通常是几个fm/c,小于碰撞系统演化的时间,更容易受到强子相阶段演化的影响,其末态产生性质是部分子相和强子相演化的强干涉结果。因此对强子共振态产生的研究一直是理论和实验研究的热点。从SPS实验的NA49和NA60实验组到RHIC实验的STAR实验组再到最近的LHC实验的ALICE实验组都对共振态粒子,如K*(892),φ(1020),Σ*(1385),Ξ*(1530)等,进行了测量,积累了产额、横动量pT谱等实验数据。这些实验数据显示,重离子碰撞产生的强子共振态有一个复杂的强子重散射效应,与碰撞能量和共振态种类都有关系。在强子重散射阶段,一方面,共振态粒子与其他强子发生散射,可能造成共振态粒子的消失;共振态粒子的衰变产物与其他强子相互碰撞,可能造成共振态信号丢失,导致实验上无法重建,这都会使得共振态粒子产额减少。另一方面,强子间的散射也可能生成新的共振态粒子,这将使得共振态粒子产额增加。强子重散射也可能会改变共振态的性质,例如质量,宽度等。实验上可重建的共振态的性质是由QGP强子化和强子相重散射共同决定的。来源于不同阶段的共振态粒子反映了不同阶段的动力学机制,强子化直生的共振态携带热密夸克物质的性质,反映了强子化动力学机制,而强子相产生的共振态反映了强子反应动力学,同时,共振态在强子相的丢失程度也反映了强子相寿命的长短。因此,弄清楚实验上观测到的共振态产生的不同来源有重要意义。本文主要研究了从SPS能区到LHC能区((?)=17.3-2760GeV) Pb+Pb和Au+Au中心碰撞中共振态粒子K*(892),φ(1020),∑*(1385),Ξ*(1530)的产额、横动量谱等性质。系统考虑热密夸克物质的强子化和末态强子的重散射对共振态粒子产生的不同贡献。研究方案分为两步:第一,首先用山东夸克组合模型(SDQCM)来处理热密夸克物质的强子化,计算出强子化直接产生的共振态粒子的产额和pT谱,通过与实验数据的比较获取QGP强子化对共振态粒子产生的贡献。第二,用极端相对论量子分子动力学(Ultra-relativistic Quantum Molecular Dynamics,简称UrQMD)模型研究强子重散射效应对共振态粒子的产额和pT谱的影响。最后计算出这两部分的综合结果与实验比较。本文主要做了以下两方面的工作:(一)系统研究质心系能量、和2760 GeV的重离子碰撞中共振态介子K’(892)和φ(1020)的产额和横动量谱。首先,在课题组前期工作的基础上(即山东夸克组合模型能够成功描述末态长寿命强子的产生),用山东夸克组合模型计算了强子化直接产生的K*(892)的横动量谱,结果发现在小横动量区理论结果明显高于实验数据,这意味着末态强子重散射可能影响K*(892)的产生。进一步用UrQMD模型分别计算了带有重散射效应的K*(892)的pT谱和没有重散射效应的K*(892)的pT谱,并将两种结果作对比,得到末态强子重散射效应对K*(892)产生的影响。研究结果表明,末态强子重散射导致K*(892)的丢失大于其重生,因此实验上观测到K*(892)的产额比山东夸克组合模型给出的理论结果要小,尤其在小横动量区;而且这种末态强子重散射效应对K*(892)产生的影响并没有明显的碰撞能量的依赖。考虑到末态强子重散射效应对K*(892)产生的影响后,山东夸克组合模型能够成功描述K*(892)的横动量谱。用同样的方法研究了≯(1020)介子,结果发现,末态强子重散射效应对φ(1020)产生的影响不大,对于≯(1020)的横动量谱,山东夸克组合模型的理论结果与实验数据符合。(二)系统研究质心系能量和2760 Gev的重离子碰撞中共振态重子∑*(1385)和Ξ*(1530)的产额和横动量谱。首先,用山东夸克组合模型计算了强子化直接产生的∑*(1385)和Ξ*(1530)的横动量谱。进一步用UrQMD模型分别计算了带有重散射效应的∑*(1385)和Ξ*(1530)的pT谱和没有重散射效应的∑*(1385)和E*(1530)的pT谱,并将两种结果作对比,得到末态强子重散射效应对的∑*(1385)和Ξ*(1530)产生的影响;结果发现,末态强子重散射效应对∑*(1385)的产生影响不大,而对Ξ*(1530)的产生有一定影响。这种对∑*(1385)和Ξ*(1530)产生的理论预言等待将来进一步实验检验。
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