组成这个物质世界的基本粒子是什么?这些基本粒子之间的相互作用又有怎么样的特性?这是人类在几千年来探索宇宙奥秘的过程中一直孜孜不倦地研究的两个基本问题。早在公元前6世纪～5世纪,古希腊哲学家流西普斯、德谟克里特斯和伊比鸠鲁等人建立了“原子论”,就提出物质是由基本粒子组成的猜测。但直到1897年,英国物理学家约瑟夫·汤姆孙通过对阴极射线的磁偏转与质荷比的研究,人类才第一次发现基本粒子——电子。在之后的近百年时间里,随着质子,中子等大量新粒子被发现,人们对微观世界中物质的结构与性质的认识逐步深入,现代粒子物理学被建立。在20世纪70年代,基于量子力学和狭义相对论的发展,粒子物理学建立了一个能够描述除引力以外的三种基本相互作用及所有基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子）的规范理论——标准模型。在2012年,欧洲核子研究组织（CERN）宣布在大型强子对撞机（LHC）上发现了希格斯粒子,这证实了标准模型对最后一种被发现的基本粒子预言。因此,标准模型被认为是迄今为止描述基本粒子以及其相互作用的最成功的理论。根据标准模型的描述,夸克和轻子组成了宇宙中所有的可见物质,它们也被称为费米子。而费米子之间的相互作用则通过玻色子来传播,比如胶子,光子,W/Z玻色子以及希格斯玻色子。其中,胶子用来传递夸克之间的强相互作用,并将夸克连接在一起形成强子。作为标准模型的一个基本组成部分,量子色动力学（QCD）被提出来描述强相互作用的各向性质,并已经得到了大量实验证据的证实。QCD有两种特有属性,禁闭与渐进自由。禁闭意味着自由的夸克与胶子无法在普通实验条件下被观测到。因为当强子中的两个夸克的距离变大时,在胶子场中的能量将足够产生一个夸克对,从而将夸克一直以强子的形式束缚在一起。渐进自由则发现在能量尺度变得任意大的时候,或等效地,距离尺度变得任意小的时候,夸克与夸克之间的相互作用非常微弱。根据格点量子色动力学（lQCD）的计算,在极端高温或者高重子数密度的条件下,普通强子物质将发生相变。强子中的夸克和胶子将退禁闭成为自由的状态,并一起形成一种新的物质形态——夸克胶子等离子体（QGP）。在自然界中,QGP目前被认为只存在于正在塌陷的中子星内部（高重子数密度）或者宇宙大爆炸20微秒之后的宇宙初期（极端高温）。基于上述事实,对于QGP的性质的研究,不仅可以研究多粒子体系下强相互作用的产生机制,还有助于揭示宇宙早期的演化规律。因此,如何在现有的实验条件下,产生并研究QGP的特性也成为了科学家一直研究的问题。事实证明,高能重离子对撞是在实验室条件下产生QGP最便捷有效的方法。在加速器中,两个被剥离带电的原子核被加速到接近光速,随即相互进行对撞。巨大的动能在短时间内转换成热能并沉积在一个极小的对撞区域内,从而形成了一个极端高温的环境并达到退禁闭条件,自由的夸克与胶子产生并形成QGP物质。之后,随着系统的膨胀与内部温度的降低,这些自由的夸克被强子化成末态粒子,并被粒子探测器所观测到。自上个世纪七十年代以来,世界各国科学家建立了一系列的粒子对撞机来进行重离子对撞实验,包括位于欧洲核子研究中心（CERN）的超级质子同步加速器（SPS）和大型强子对撞机（LHC）、美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的交变梯度加速器（AGS）和极端相对论对撞机（RHIC）。其中,LHC作为世界上最大的粒子对撞机于2009年正式运行,服务于在其上工作的四个大型高能物理实验（ALICE,ATLAS,CMS,LHCb）。大型重离子碰撞实验（ALICE）是LHC上唯一专门致力于研究高能重离子碰撞中的夸克物质信号及其性质的实验。自2009年起,ALICE通过研究质心能量2.76 TeV,5.02 TeV铅核-铅核碰撞数据,5.02 TeV,8.16 TeV质子-铅核碰撞数据,2.76 TeV,5.02 TeV,13 TeV质子-质子碰撞数据以及5.44 TeV氙核-氙核碰撞数据,观测到了大量与QGP形成相关的实验现象,包括高横动量粒子产额的压低以及喷注淬火,奇异粒子产额的增强,各向异性流对组分夸克的标度,光子产额的提高等。这些实验观测结果与相应理论描述一致,都证明了 QGP物质的存在。同时通过与理论计算的定量比较,这些观测量也能反映QGP物质的各项物理性质,因此也被称为研究QGP的探针。在对众多反映QGP性质的末态探针的研究当中,产生于部分子（夸克和胶子）硬散射过程的硬探针,如高横动量强子,喷注和重夸克（粲夸克,顶夸克）,一直是高能核物理界的一个研究焦点。硬探针的主要特点是其产生过程中具有较大的动量转移（通常用四动量转移的平方Q^2表示）,或者探针本身具有较大的横动量或者质量。由于硬散射通常发生在碰撞初期,因此这些硬探针早于QGP的形成,并随后经历整个QGP物质的演化过程,记录了各个阶段QGP的性质。在这些硬探针当中,重夸克由于其独特的性质而在对QGP的研究当中有着非常重要的地位。在初态硬散射发生之后,重夸克在穿越QGP介质时,与介质中的组分发生相互作用并进行动量交换,从而损失能量,进而影响末态观测到的重味强子以及其衰变产物的分布。通过测量重味强子的核修正因子RAA,即重味强子在重离子碰撞中约化为一对核子碰撞的产额与在质子-质子碰撞中的产额之比,我们可以定量地研究重夸克在介质中的能量损失。根据理论上的预言,相比于轻夸克,重夸克的胶子辐射会在与其夸克质量相关的锥角内压低,从而导致重夸克辐射能量损失比轻夸克小,这一效应被称为死角效应。因此,重味强子的RAA将大于轻味强子。在实验上,对向前快度区间内重味强子及其衰变产物的测量还有助于把对重夸克的研究拓展到更小的Bjorken-x值区间。另一方面,除了能量损失之外,重夸克在与QGP介质发生相互作用时,会产生热化效应。这使得重夸克获取集体性并导致其末态产物的各向异性流（如椭圆流）的出现。在低横动量区间内,对重夸克末态产物的各向异性流的测量主要是研究重夸克的热化自由度,而在高横动量区间内,这种测量主要反映的是重夸克能量损失对穿越路径长度的依赖性。因此,结合对重夸克核修正因子以及各向异性流的测量,我们可以对研究重夸克与QGP相互作用机制以及其背后所蕴含的QGP本身的物理性质提供一个完备的实验限制。相较于重离子碰撞,在小系统碰撞中（如质子-质子碰撞,质子-铅核碰撞）,我们一般认为其沉积的能量密度不足以产生QGP。事实上,在质子-铅核碰撞中,所观测到的包括重夸克,高横动量粒子,喷注在内的各类硬探针的核修正因子也的确没有表现出压底效应,这也表明硬部分子在穿越整个系统时并没有产生显著的能量损失。然而,近些年来,随着在小系统碰撞中对各向异性流的提取方法的不断改进,显著非零的高横动量带电粒子椭圆流被观测到,这似乎又预示着部分子能量损失的存在。因此,对小系统碰撞中高横动量粒子集体流的产生机制的解释,与观测的核修正因子产生了矛盾。这需要我们进一步地,尤其是在一个更大的横动量区间内,对小系统碰撞中各类硬探针的各向异性流进行更加精确的测量。这将为寻找小系统碰撞中各向异性流的起源提供更多的实验观测量。本文的工作围绕ALICE实验对硬探针（重夸克,喷注）的测量而展开,包含了在铅核-铅核碰撞中重味衰变缪子的核修正因子的测量,和在质子-铅核碰撞中测量缪子与喷注粒子椭圆流的测量三个分析工作。在第一章中,本文叙述了标准模型,量子色动力学,QGP相变等理论背景,介绍了高能重离子碰撞实验以及各类探寻QGP性质的探针,如喷注淬火,重夸克和各向异性流等。第二章介绍了在高能物理实验上各类测量各向异性流的方法,以及这些方法的优缺点与适用范围。第三章则介绍了 ALICE实验探测器的结构、原理和性能,以及未来的探测器升级计划。此外还介绍了在ALICE实验上数据的采集和重建的过程。第四、五、六章则分别聚焦于三项独立的数据分析工作。第四章讨论了在质心系能量为s1/2=2.76 TeV和s1/2=5.02 TeV的铅核-铅核碰撞中,重夸克衰变缪子的产额以及其核修正因子的测量。结果显示在两种质心系能量下,重夸克衰变缪子的产额均被明显压低。相较于ALICE在Run 1中发表的结果,该分析首次将测量范围推广到高横动量区间,这为精确标定底夸克在热密介质中能量损失提供了实验限制。第五章介绍了在质心系能量为s1/2=8.16 TeV质子-铅核碰撞中缪子的椭圆流的测量。两粒子关联和两粒子矩的方法首次被应用到对重味粒子的各向异性流的测量中,并给出相互吻合的结果。此分析还首次对ALICE质子-铅核碰撞中的长程和短程非流关联进行了完整的研究。结果显示,在小系统碰撞中,重味粒子有着明显的各向异性,这为我们理解这种类流长程关联的起源提供了新的视角。第六章介绍了在铅核-铅核和质子-铅核碰撞中,对喷注粒子的各向异性的测量。该分析采用了一种全新的三粒子关联的方法,首次在ALICE实验上测量了喷注伴随粒子的各向异性流。结果显示,在小系统碰撞中即使喷注淬火效应不存在,喷注粒子依然表现出与重离子碰撞中类似的集体性。这为理解硬部分子如何在小系统碰撞中获取各向异性的现象提供了重要的实验限制。第七章则对本文所有的工作进行了一个系统性的总结。