高能核核碰撞中夸克胶子等离子体的喷注关联层析研究

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在美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)和欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)所开展的高能核核碰撞实验中,产生了一种高温高密的强相互作用新物质形态—夸克胶子等离子体(QGP)。这种物质与早期的宇宙密切相关,并对星体的形成与性质和物质的微观结构与相互作用等许多方面的认识带来深远影响,因此QGP新物质形态的理论与实验研究是当前高能核物理前沿的一个重要研究领域。高能核核碰撞的早期硬散射过程所产生的高能部分子喷注穿过这种高温高密介质时,与介质成分粒子发生强相互作用诱发辐射胶子导致喷注损失能量或横动量展宽,这种现象称为喷注淬火。喷注淬火不仅会造成大横动量强子或喷注产额压低,而且会引起双强子或喷注方位角关联或横动量关联的变化。本文基于Sudakov重求和理论改进的微扰量子色动力学(pQCD)部分子模型和BDMPS喷注淬火理论模型,结合流体力学模型关于QGP时空演化的描述,利用喷注方位角关联和横动量关联针对高能核核碰撞产生的强相互作用介质开展了喷注输运性质的层析研究。理论研究表明,喷注的能量损失与喷注输运系数成正比,其中喷注输运系数是喷注单位路程遭遇多重散射导致的横动量展宽平方的平均值。本文首先通过双强子,强子喷注以及双喷注的方位角关联研究了喷注的横动量展宽效应。核子核子碰撞的双喷注方位角分布基于强耦合跑动常数的pQCD展开中,Sudakov大对数出现在所有展开项,导致方位角分布在背靠背区域发散,无法描述双喷注碎裂得到的双强子以及强子喷注的背靠背区域的方位角分布。我们采用了相关文献给出的Sudakov重求和技术,考虑了真空中软胶子辐射的贡献,从而消除了双喷注方位角分布背靠背区域的发散。核核碰撞中的双喷注方位角关联,除了固有的Sudakov效应,喷注遭遇QGP介质多重散射诱发辐射胶子使得喷注出现横动量展宽效应,这种介质效应能够和Sudakov效应简单叠加。我们基于pQCD部分子模型和BDMPS喷注淬火模型,计算并比较了核核碰撞和核子核子碰撞中的双强子,强子喷注以及双喷注的方位角关联。数值结果表明,与核子核子碰撞的方位角关联相比较,RHIC能级核核碰撞中介质的横动量展宽效应导致了方位角退关联;LHC能级核核碰撞中没有观察到明显的方位角退关联现象,是因为介质的横动量展宽效应远小于固有的Sudakov效应。由于喷注能量损失与喷注输运系数成正比,我们因此也通过BDMPS喷注淬火模型提取了喷注输运系数。本文其次研究了高能核核碰撞中双喷注以及孤立光子触发的喷注横动量反对称现象。我们首先指出了核子核子碰撞中双喷注横动量关联的一个教科书式的结论:横动量守恒使得pQCD给出的n个末态硬部分子的动量不平衡分布的下限为xJ≥1/(n-1)。基于pQCD展开的Sudakov重求和机制的计算表明,次领头阶微扰量子色动力学的贡献对实验数据的解释不可或缺,同时Sudakov重求和机制在背靠背附近处理发散起到至关重要的作用。本文针对双喷注以及孤立光子喷注的横动量反对称分布,在相空间的非背靠背区域采用高阶微扰量子色动力学的贡献,而在背靠背区域附近采用Sudakov重求和计算的分布,给出的双喷注以及孤立光子喷注横动量反对称分布的结果,较好地解释了相关实验数据。并结合BDMPS能量损失机制与2+1维流体力学模型所模拟的QGP时空演化,分析了喷注的输运性质。本文最后研究了重玻色子触发的喷注或强子的方位角关联和横动量关联反映的喷注淬火现象。由于Z或Higgs(H)重玻色子不参与强相互作用,以玻色子为触发粒子的喷注的初始能量主要由玻色子的能量给出,而且重玻色子相对于光子玻色子有更干净的产生机制,因此以Z(H)重玻色子为触发粒子的喷注或强子这种“黄金”硬探针会给予喷注淬火更清晰的认识。本文基于高阶修正的Sudakov重求和改进的pQCD部分子模型,采用BDMPS能量损失机制并结合OSU流体力学模型关于QGP的模拟,分别计算了 LHC能级核子核子碰撞和核核碰撞中Z玻色子触发的喷注的横动量反对称分布,数值结果与实验数据一致,并提取了喷注输运系数。本文预言了H玻色子触发的喷注的横动量反对称分布,其数值结果表明,因为Higgs 比Z的质量大,H喷注比Z喷注的关联有着更强的Sudakov效应,会导致喷注更多的软胶子辐射。本文最后提供了能够与所谓unfolded的实验数据比较的理论预言,期待更精确地提取喷注输运系数。喷注横动量展宽和喷注能量损失,是喷注淬火现象一个问题的两个方面。本文侧重喷注横动量展宽的喷注关联层析研究,是研究喷注输运性质的重要手段,也是侧重喷注能量损失导致喷注或强子谱压低的喷注淬火现象研究的重要补充和发展。本文期待将来能够结合两方面研究,全面探索夸克胶子等离子体的输运性质。
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