【作者】 吕龑；

【导师】 刘峰； 许怒；

【作者基本信息】 华中师范大学 ， 粒子物理与原子核物理， 2007， 博士

【摘要】 几千年来，人类一直在问一个问题：在我们生活的世界，什么是物质的基本组成部分?1808年道尔顿建立了原子论，表明物质是由原子组成的。随着近代科技的发展，人类发现原子又是由电子和原子核组成。原子核包括质子和中子。随后，通过电子打核子的深度非弹实验，人们认识到这些粒子可能由更基本的结构组成，这就是夸克和胶子。但是在自然界，我们没有观察到自由存在的夸克。一种自然的解释是夸克通过相互作用被禁闭在强子里，这种相互作用称为强相互作用。量子色动力学（QCD）是描述强相互作用的理论。QCD论理的一个重要特征是渐进自由，即夸克之间的相互作用强度与距离成正比，只有在距离很小的时候，强相互作用才变弱。分开两个夸克要无穷的能量，所以不可能把它们分开。QCD理论描述了夸克禁闭。QCD理论预言在极高温度或高重子数密度下，强子物质会解除禁闭形成夸克胶子等离子体（QuarkGluon Plasma）。在这种新的物质形态内，夸克和胶子可以在较大的（超出核子）范围内运动。夸克胶子等离子体可能存在于宇宙大爆炸早期阶段（很高的温度）以及中子星（重子数密度很高）内。在实验室里，我们让两束高能重离子束流以极高的能量对撞，产生高温高密的强相互作用物质，有可能在实验室里产生QGP。在美国布鲁克海汶国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的相对论重离子对撞机（Relativstivc Heavy Ion Collider）是当今世界上正在运行的质心能量最高的重离子对撞机。RHIC的最高质心系能量（核核对撞）是SNN^1╱2=200 GeV。在西欧核子中心CERN运行的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）将实现更高的质心系能量(PP对撞、SNN^1╱2=14 TeV，重离子对撞SNN^1╱2=5.4 TeV)。相对论重离子碰撞可以描述为两个高度洛仑兹收缩的核以接近光速对撞。在RHIC能区上，两个核将相互穿透，在中心快度区形成一个高能量，低净重子数的碰撞区。初始碰撞主要是部分子之间大横动量的硬碰撞。随着部分子之间相互作用的频繁发生，夸克将有可能解禁闭并达到热平衡。这个态也就是寻找的夸克胶子等离子体。随着系统的膨胀，系统开始冷却，部分子开始冻结成强子。当非弹性散射停止，强子的相对数目将不再改变，系统达到化学冻结。随着系统继续冷却，强子间的相互作用停止，系统达到动力学冻结。实验上，我们测得末态的强子分布，希望通过末态强子信息寻找夸克胶子等离子体存在的信号。”集体行为”是指在一次碰撞中所观察到的多个粒子的共同性质，它是一种可能信号。”集体行为”源于中心快度区形成的火球从中心到边缘的密度梯度。火球中心的密度比边缘的密度高，组分粒子之间的相互作用推动形成的物质向外扩张。频繁的相互作用使组分粒子有一个相同的速度分布。我们称这种大量粒子具有相同的运动方向和速度为”集体流”。由于方向的不同，流分为”纵向流”和”横向流”。”纵向流”描述粒子在初始束流方向上的集体行为。”横向流”描述粒子在垂直于初始束流方向上的集体行为。”横向流”又可以分为”径向流”和”各向异性流”。”径向流”描述粒子在某个方向的有相似的速度。”各向异性流”描述粒子”径向流”在不同方向的不同。各种流是整个集体流图像在不同方面的表现。在非对心碰撞中（碰撞参数b不为零），”反应平面”定义为碰撞参数和束流方向所决定的平面。系统初始坐标空间中的方位角各向异性相对于”反应平面”有一个椭圆的形状。它有利于我们研究”各向异性流”。密度梯度在椭圆短轴上比长轴上大。组分粒子的相互作用把密度梯度转化为压力梯度，导致压力梯度在椭圆短轴上比长轴上大。所以椭圆短轴上有较大的”径向流”。椭圆长轴和短轴之间的压力梯度差又由于粒子的运动速度在两个方向的差别而不断减小，所以可以看出”各向异性流”取决于系统的早期。实验上，我们用末态粒子相对于”反应平面”的方位角分布的傅立叶展开来描述动量空间的各向异性。傅立叶展开的系数就是”各向异性流”参数。第二谐波系数对应于椭圆的方位角分布，称为”椭圆流”参数v₂。这篇论文中我们将集中讨论”椭圆流”参数v₂。RHIC实验对各向异性椭圆流参数v₂测量已经有了很多的结果。在低横动量区，实验上观测到流体力学预言的强子质量顺序性，它表明在金金碰撞中已经形成了部分子层次的集体运动。进一步，在中间横动量区，实验上观测到组分夸克数目标度性，它表明系统达到了解禁闭状态。再进一步，多重奇异粒子横动量分布和椭圆流的结果预示系统可能达到了部分子层次的热化。值得注意的是，在RHIC能区，关于动力学热化的讨论直到现在还没有确定的结论。流体力学计算结果假设系统是理想流体，并成功的重复了RHIC能区的实验结果。流体力学对不同强子椭圆流的计算结果可以定量的符合RHIC能区金金碰撞中最小无偏事件的实验数据。但是，流体力学计算结果不能重复RHIC能区π介子和质子中心度的依赖性。另外，基于对带电粒子v₂／ε_part的讨论暗示RHIC能区系统只可能在中心碰撞中达到热化。带电粒子v₂／ε_part随中心度的增加而增加，这个结果表明系统不可能在最小无偏事件中达到热化。然而，已有的结果，讨论都集中在最小无偏事件中鉴别粒子的测量或带电粒子积分v₂的测量。鉴别粒子在不同中心度中的系统测量还是缺乏。这篇论文的物理动机是，通过对鉴别粒子椭圆流在不同中心度中的系统测量，系统的讨论集体运动，横向运动能量标度性，组分夸克数目标度性以及热化性质随中心度的依赖性。我们分析了RHIC在2004运行中由STAR合作组收集的22,000,000最小无偏事件，它是2002年运行数据的10倍。我们通过衰变道K_s⁰→π⁺+π^-，∧（?）→p（?）+π^-（π⁺）来晕建K_s⁰和∧（?）。对任一对具有相反电荷的带子粒子，我们通过衰变的几何截断来排除背景。我们发展了一种新的方法来快速有效的分析出几何截断的值。新的方法是在信噪比随给定几何截断的分布中，截断值选取在信噪比较大的位置。我们用反应平面和李杨零点的流分析方法分别对v₂进行了测量。以前对鉴别粒子所采用的流分析方法是反应平面方法，它利用的是粒子和反应平面的角关联。这个方法不能去掉和反应平面无关联的非流效应。最近提出的李杨零点的流分析方法利用是所有粒子的相互关联，理论上它可以去掉非流效应。我们首次用李杨零点方法对v₂进行了测量。在测量v₂中扣除背景的方法上，我们首次用v₂的不变质量依赖性的方法。新的方法考虑了背景v₂随不变质量变化的效应，它比以前采用的拟合信号方位角分布的方法更有力。我们在金金碰撞质心系能量200 GeV中用李杨零点方法测量了带电粒子的椭圆流参数v₂，并分别用反应平面方法和李杨零点方法测量了K_s⁰和∧+（?）粒子椭圆流参数v₂∶v₂的横动量分布，v₂的横向运动能量分布，PT积分的v₂以及它们的中心度依赖性。在不同的中心度中，我们将K_S⁰和∧+（?）粒子的测量结果和含有多个奇异夸克的φ介子，Ξ和Ω重子的测量结果进行了系统的比较。我们也对流体力学的计算结果进行了讨论。李杨零点方法测得的v₂值比反应平面方法要小10％，而且两个方法的差别到横动量为5GeV／c都没有很强的横动量依赖性。在高横动最区，喷注产生的非流效应期望比低横动量区要大。根据李杨零点方法所得的结果，非流效应引起的系统误差在横动量为5GeV／c以下约为10％，喷注产生的非流效应可能主要贡献在横动量大于5GeV／c以上。我们观测到在低横动量区间（pT＜2 GeV／c），不同的粒子的v₂都随横动量的增大而增大。对给定的横动量p_T，较重的强子的v₂值要比较轻的强子的v₂值小。这种强子质量的顺序性和流体力学的计算结果相一致。这表明了金金碰撞中不同质量的粒子形成了集体运动。含有多个奇异夸克的强子在强子阶段的相互作用截面很小，它们的v₂值和轻味夸克强子相似。这表明产生的集体运动起源于部分子阶段。并且在不同中心度的碰撞中，我们都观测到了这种强子质量的顺序性。在这个横动量区间，在不同的中心度碰撞中，所有测得的强子的v₂都符合横向运动能量（m_T-mass）标度性。在中间横动量区间（2 GeV／c＜p_T＜5 GeV／c），v₂开始偏离流体力学的计算结果，随横动量增加的趋势减缓，然后饱和。如果把v₂和p_T都除以强子中组分夸克的数目n_q。重子和介子将符合同一条曲线。我们称之为组分夸克数目标度性。这个标度性本身，表明粒子的v₂有组分夸克自由度。组分夸克再组合模型可以定性解释这个这个标度性。在这类模型中，强子是在强子化阶段由组合两个或三个组分夸克形成的。如果这个解释正确的话，RHIC形成的物质已经解禁了。并且在不同中心度的碰撞中，我们都观测到了组分夸克数目标度性。结合横向运动能量标度性和组分夸克数目标度性，在不同的中心度中，我们得到一个新的标度性—m_T-n_q标度性。对不同中心度的碰撞，为了去掉初始的几何效应，我们把v₂除以初始坐标空间的各向异性参数ε_part。我们没有观测到v₂（p_T）／ε_part随中心度的标度性。带电粒子和奇异与多重奇异粒子的<v₂>／<ε_part>都随着中心度(参加碰撞的核子数N_part)增加而增加。这表明在中心碰撞中的集体流要比偏心碰撞中要大。在热化的情况下，<v₂>／<ε>对中心度的依赖性应该消失。流体力学假设了局域热平衡，<v₂>／<ε>显示了对中心度比较弱的依赖性。<v₂>／<ε_part>的实验值在N_part大于170的区间增加的趋势减缓并接近流体力学的计算结果。这表明在金金碰撞质心系能量200GeV中产生的系统在N_part大于170的对心碰撞中达到了局域热平衡。而在不同中心度中所观测到的集体运动，横向运动能量标度性，组分夸克数目标度性并不依赖于系统是否达到热平衡。更多还原

【Abstract】 The heavy ion collisions at Relativistic Heavy Ion Collider （RHIC） located at Brookhaven National Laboratory （BNL） provide a high energy density environment of nuclear matter to search for Quark-Gluon Plasma （QGP） and study its properties. The signature of QGP formation has to be identified from the measured final-state hadrons. Measurements of azimuthal anisotropy in transverse momentum distribution of produced particles can get information on the early stage of the heavy ion collisions. Prom the data collected at RHIC during year 2002, the second harmonic azimuthal anisotropy, elliptic flow v₂ of identified particles from Au + Au collisions established hydro-like mass hierarchy at low pT. This observation demonstrates the development of partonic collectivity. Further, the Number-of-Constituent-Quark scaling observed at intermediate pT suggest the system has been in the deconfined state prior to hadronization. On the other hand, charged particle <v₂> scaled by the eccentricity suggests possible thermalization only in the most central collisions at RHIC. The comparisons have been focused either on identified hadrons from minimum bias collisions or integrated v₂ of charged hadrons. A systematic comparisons for identified hadrons at different collision centralities are still scarce. The centrality dependence of v₂ measurement for identified particles will gain information on interplay of collectivity, NQ scaling and thermalization as a function of collision centralities.This thesis presents STAR results on the elliptic flow v₂ of K_S⁰ and （?） + （?） from （?）sNN = 200 GeV Au + Au collisions at RHIC. The high statistics data were collected at RHIC during year 2004. The detailed study of centrality dependence of v₂ over a broad transverse momentum range is presented. The results from Lee-Yang Zero method and Event Plane method are shown. Comparisons with multi-strange particlesφ, （?） + （?） andΩ+Ωare made for systematic study of identified particles.In the relatively low pT region （pT < 2 GeV/c）, for a given pT, the heavier particle has smaller v₂ than the lighter particle. This mass ordering is predicted by the hydrodynamical calculations. The hydro-like mass hierarchy is observed for all centrality bins. In this pT region, a scaling with kinetic energy mT - m is observed for all measured identified hadrons in each centrality bin.In the higher pT region, v₂ deviates from hydrodynamical calculations and then saturates or decreases. Baryon saturates at higher pT with larger values of v₂ than meson. For all measured hadrons, v₂ scaled by the number of quark n_q within a given hadron follows a universal curve as a function of pT scaled by n_q. This Number-of-Quark scaling is observed for all centrality bins.n_q-scaled v₂ is divided by the participant eccentricity for different centralities to remove the initial geometry effect. We do not observe v₂（pT） scaled by the participant eccentricityεpart to be independent of centrality. As a function of collision centrality, an increase of <v₂>/<εpart> has been observed. This indicates a stronger collective flow in more central Au + Au collisions.For hydrodynamical calculations with assumptions of local thermalization, <v2>/<ε> shows little sensitivity to centrality bins. The rate of increase in <v₂>/<εpart> for data appears to slow down when Npart > 170 and approach that from the hydrodynamic model calculations. This indicates that the system created in 200 GeV Au + Au collisions reached local thermalization in central collisions when the number of participants is larger than 170. Further, the observed collectivity, mT - m scaling and number-of-quark scaling do not depend on local thermalization.更多还原