高能核碰撞中喷注内部结构观测量的介质修正

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高能重离子碰撞过程中,大量的能量沉积在碰撞的中心区域,产生极端高温高密的环境,从而使得禁闭在强子中的夸克和胶子发生溶解,进而形成了一种介于流体和粒子之间、近似局部平衡强相互作用的新物质形态,即夸克胶子等离子体(QGP)。由于QGP产生之后迅速冷却,存在的时间只有约10 fm/c,在当前实验条件下无法直接捕捉和研究,研究者们发展了一系列探针间接研究QGP性质,其中一个重要的硬探针就是“喷注淬火”效应,即碰撞初期产生的大横动量部分子在穿过QGP物质时会与介质部分子相互作用而损失能量的过程。根据部分子喷注穿过QGP介质时损失能量的多少可以抽取出QGP的能量密度信息,从而帮助人们推断出QGP的一些重要性质。随着实验技术和理论计算研究的不断发展,对QGP喷注淬火效应的研究从单举强子、双强子、光子-强子关联发展到了整体喷注,然后随着实验研究的进一步精细,围绕喷注淬火效应的研究进一步发展到了探究整体喷注的内部精细结构。本文中我们对高能核碰撞中喷注内部结构观测量的介质修正做了一系列详细的理论研究,我们采用次领头阶微扰QCD结合部分子簇射机制(NLO+PS)的事件生成器,模拟在质子-质子和铅-铅碰撞中的单举整体喷注事件和规范玻色子标记的喷注事件,由2+1D粘滞性流体力学模型模拟并提供QGP的时空演化信息,考虑了冷核物质效应,并同时考虑了部分子的弹性及非弹性能量损失,来研究喷注在高能重离子碰撞中的能量损失效应。本文的研究工作主要有以下几个方面:1)采用上述的理论计算框架,我们计算了在质子-质子碰撞中单举整体喷注的腰围(girth)分布情况,理论计算的结果能够很好地描述实验的测量,以此为基准,我们继续计算了铅-铅碰撞时单举整体喷注腰围的分布,并将之与质子-质子碰撞的情况进行了对比,发现铅-铅碰撞相比于质子-质子碰撞存在核修正效应,即铅-铅碰撞时单举整体喷注的喷注腰围分布会向着腰围值更小的方向发生偏移。针对这一现象,我们进一步进行了探究,分析了喷注腰围分布产生核修正的原因。为了进一步验证得到的结论,我们还讨论了铅-铅碰撞中Z0标记整体喷注(夸克喷注占主导)的喷注腰围分布情况。2)在统一的理论框架下,我们计算了重离子碰撞中另一个喷注内部结构观测量——横动量偏差(dispersion)的分布及核修正情况。比较了质子-质子碰撞和铅-铅碰撞中单举整体喷注横动量偏差的分布,发现不同于喷注腰围向着腰围值更小的方向偏移,横动量偏差的分布是整体向着偏差值更大的区间移动,为了更进一步弄清横动量偏差的物理意义以及产生核修正的原因,我们对横动量偏差进行了分析,将横动量偏差与喷注内部粒子数的倒数和横动量标准差(用来反映数据离散程度的统计量)联系了起来。通过对与横动量偏差相关的两个变量(横动量标准差和粒子数)分布及核修正情况的分析,给出了核-核碰撞相比于质子-质子碰撞横动量偏差之所以产生了核修正的原因。另外,我们还对单举整体喷注进行了整饰,对比计算了喷注整饰前后单举整体喷注横动量偏差的分布及核修正情况,并分析了整饰过程对单举整体喷注横动量偏差的影响。3)前面两项工作中所研究的“喷注腰围”和“喷注横动量偏差”这两个喷注内部结构观测量都是只和喷注内部粒子的横动量以及粒子所处的位置这两个组分有关,我们继续探讨了其它几个也只与这两个变量有关的喷注内部结构观测量LHA、thrust和multiplicity,它们和喷注腰围(girth)以及横动量偏差(dispersion)一样,都属于喷注内部结构的一系列结构观测量——喷注角量(jet angularities)。在统一框架下,对质子-质子和铅-铅碰撞中单举整体喷注的LHA、thrust和multiplicity这三个喷注内部结构观测量的分布和核修正情况也进行了计算,同时,我们还给出了不同反应道Z0标记整体喷注角量的分布情况及核修正以及整饰前后喷注角量分布的对比。另外,我们还探讨了喷注角量分布及核修正对指数参数α的依赖关系,并且还给出了采用LBT模型计算得到的喷注角量分布及核修正对α依赖的初步结果。4)我们还研究了质子-质子碰撞和核-核碰撞中重夸克标记喷注中重夸克的径向分布及其介质修正效应。采用SHERPA事件产生器计算了标记事件的产生,在次领头阶和部分子簇射时LHC能区质心能量5.02 TeV的质子-质子碰撞和铅-铅碰撞中D0标记喷注内部D0介子在喷注内部的径向分布和介质修正,并与CMS合作组的测量结果进行了比较,我们的计算模型在实验误差范围内能很好描述实验结果。我们的计算表明,在核-核碰撞中,较低横动量5-25 GeV的粲夸克在喷注中的径向分布有明显的介质修正效应,在靠近喷注中心区域出现压低而在喷注外围出现升高,表现出明显的粲夸克在喷注内的“扩散效应”。同时我们还对不同对心度情况下喷注内部D0介子的径向分布情况进行了计算,发现在LHC能级上核-核碰撞的对心度对D0介子径向分布的影响非常小,D0介子的径向分布是否可以观测到明显的扩散效应很大程度还是很依赖于D0介子标记喷注横动量取值的大小。
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