rhic能區(qū)粒子分布和核限制特征的相對(duì)論性研究

rhic能區(qū)粒子分布和核限制特征的相對(duì)論性研究

1用熱化理論和縱向非均勻集體流理論來(lái)討論高能重離子碰撞最近，rhic-u相處理組運(yùn)行，沖突物質(zhì)的能量達(dá)到200gv。這一大規(guī)模實(shí)驗(yàn)的重要目的是研究強(qiáng)子材料的化學(xué)和熱平衡動(dòng)力學(xué)機(jī)制以及在這樣的高溫和高密度環(huán)境下熱系統(tǒng)的組成功能性質(zhì)。ric實(shí)驗(yàn)的重要目標(biāo)是在理解高離子層壓縮性振動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)形式的多孔凝膠離子，以及各子層的新自由度和新物理。相對(duì)論重離子碰撞是唯一能提供在實(shí)驗(yàn)可控環(huán)境中研究極端高溫和高密物質(zhì)的重要手段.用熱化理論討論相對(duì)論重離子碰撞所產(chǎn)生的系統(tǒng)成為一種重要的研究方法,由這些反應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)子譜反映了碰撞所產(chǎn)生的高溫高密熱系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征.其中,重子數(shù)密度被認(rèn)為是反映系統(tǒng)演化的一個(gè)重要的物理量,對(duì)實(shí)驗(yàn)可觀察的快度分布的分析可以幫助我們了解它們的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和時(shí)空演化特征.2003—2004年,在RHIC工作的BRAHMS實(shí)驗(yàn)組公布了凈質(zhì)子快度分布和不同中心度反應(yīng)粒子的產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)了解RHIC能區(qū)粒子產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,并討論由碰撞所產(chǎn)生的集體流分布特征與碰撞能量的依賴關(guān)系和核阻止特性有重大意義.在文獻(xiàn)中,提出了縱向非均勻集體流理論,分別討論AGS和SPS能區(qū)的縱向相空間一些集體運(yùn)動(dòng)分布特征.本文將集中對(duì)RHIC能區(qū)的核阻止本領(lǐng)和縱向相空間集體流分布特征進(jìn)行研究,并與AGS和SPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,為更深層次討論RHIC能區(qū)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制打下基礎(chǔ).本文首先簡(jiǎn)單介紹縱向非均勻集體流模型;然后詳細(xì)討論了RHIC能區(qū)(√S=200GeV)(S√=200GeV)的Au-Au相互作用的凈質(zhì)子的快度分布,并通過與AGS(E802,E877,E917)能區(qū)的Au-Au和SPS(NA49)能區(qū)Pb-Pb碰撞的凈質(zhì)子分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,研究高能重離子碰撞的縱向流分布;同時(shí)在這一部分還分析并比較質(zhì)子、反質(zhì)子和凈質(zhì)子的快度分布,由此可得出RHIC能區(qū)的質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)產(chǎn)生一些特征.最后作總結(jié)和討論.2rhic能范圍內(nèi)的質(zhì)量、反射子和干凈顆粒的分布2.1縱向非均勻集體流模型在相對(duì)論重離子碰撞中,核-核碰撞后會(huì)有大量的能量損失,并沉積在中心區(qū)域附近,從而形成一個(gè)極度高溫高密的空間區(qū)域.在熱解凍時(shí),其溫度超過100MeV,因而可利用玻爾茲曼近似對(duì)其末態(tài)粒子進(jìn)行描述.在此我們對(duì)此問題作一點(diǎn)說(shuō)明,不管是較高的RHIC能區(qū),還是較低的AGS能區(qū),在熱解凍后,系統(tǒng)的熱化溫度和產(chǎn)生粒子的平均自由程基本上是相等的,因此,用熱化模型討論RHIC能區(qū)的熱解凍后粒子分布特性是可行的.但熱解凍后粒子分布會(huì)包含反應(yīng)早期的粒子產(chǎn)生和時(shí)空演化特性,因此詳細(xì)討論末態(tài)粒子產(chǎn)生的集體運(yùn)動(dòng)分布特征會(huì)幫助我們了解更多新的物理.對(duì)此問題討論先后出現(xiàn)過各向同性的熱模型和Heinz的縱向均勻流模型,這兩個(gè)模型都能對(duì)高能重離子碰撞的一些動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行描述,但它們都有一個(gè)共同的有待解決的問題,都不能重現(xiàn)重離子碰撞中出現(xiàn)的中心下凹現(xiàn)象,即不能揭示縱向相空間的非均勻集體流分布特征,和開始出現(xiàn)的核透明性特點(diǎn).縱向非均勻集體流模型(NUFM)不僅具有前述兩種模型的優(yōu)點(diǎn),而且能解釋中心下凹問題.在縱向均勻流模型中,發(fā)射角Θ是建立在均勻的縱向流基礎(chǔ)上的,而NUFM的發(fā)射角是建立在非均勻縱向流分布基礎(chǔ)上的,通過引入橢圓度e將發(fā)射角變成?=tan-1(etanΘ),式中的參量e(0≤e≤1)表示新引入的橢圓度參量,它表示縱向發(fā)射源均勻分布的程度,參量化圖案由圖1給出.在這里需要說(shuō)明的是,由示意圖1所給出的圓不表示具體的火球個(gè)數(shù),只表示發(fā)射源的非均勻分布特征,關(guān)于縱向非均勻集體流的詳細(xì)描述請(qǐng)參看文獻(xiàn).從而有dnΝUFΜdy=eΚm2Τ∫κmaxκminQ(?)d?sin?(1+2Γ+2Γ2)e(-1/Γ)?(1)dnNUFMdy=eKm2T∫κmaxκminQ(?)d?sin?(1+2Γ+2Γ2)e(?1/Γ)?(1)這里K是一個(gè)比例常量,κmin=2tan-1(e-ye0),κmax=2tan-1(eye0),ye0是發(fā)射源快度的范圍,在式(1)中,Γ=T/mcosh(y-ye),(2)Q(?)=1√e2+tan2κ|cos?|,(3)Q(?)=1e2+tan2κ√|cos?|,(3)其中κ=2tan-1(e-ye),ye為集體流的快度,m為所研究產(chǎn)生粒子的質(zhì)量,T為溫度參量,參量e和ye0的物理意義,將在具體分析中進(jìn)行詳細(xì)討論.如果把(1)式的積分變量?轉(zhuǎn)換成變量ye,則(1)式可轉(zhuǎn)變?yōu)閐nΝUFΜdy=eΚm2Τ∫ye0-ye0ρ(ye)dye(1+2Γ+2Γ2)e(-1/Γ)?(4)其中ρ(ye)=√1+sinh2(ye)1+e2sinh2(ye)(5)為縱向非均勻集體流的分布函數(shù),參量e對(duì)應(yīng)為橢圓度參量.由式(5)和圖3可以看出,參量e越大,ρ(ye)分布就越平坦,對(duì)應(yīng)的縱向流分布就越均勻,當(dāng)e?1時(shí),縱向流完全均勻(ρ(ye)?1),回到均勻流理論.在(2)式中,ye為集體流的快度,ye0是集體流快度的范圍,通過計(jì)算,發(fā)現(xiàn)ye0的大小決定了分布寬度.縱向非均勻集體流理論,實(shí)際上是在熱化理論基礎(chǔ)上,引入非均勻縱向流,已經(jīng)成功地討論了AGS能區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,有關(guān)NUFM詳細(xì)的理論論述,請(qǐng)參閱文獻(xiàn).本文將用它討論RHIC能區(qū)的凈重子分布特征.2.2重離子快度分布及滯后分析下面將利用非均勻流分布理論,討論RHIC能區(qū)的凈質(zhì)子分布,并與AGS能區(qū)的Au-Au碰撞及SPS能區(qū)的Pb-Pb碰撞中凈質(zhì)子分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.圖2中分別給出了AGS,SPS和RHIC能區(qū)的中心核-核碰撞(中心度為5%)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中實(shí)三角形表示AGS能區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,方塊形表示SPS能區(qū)結(jié)果,空心圓表示RHIC能區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,相應(yīng)的實(shí)線是我們計(jì)算的結(jié)果.我們發(fā)現(xiàn):縱向非均勻流模型不僅可以再現(xiàn)AGS實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的較窄的具有平臺(tái)分布特點(diǎn),而且能展現(xiàn)較寬的SPS和RHIC實(shí)驗(yàn)的中心下凹(或雙峰)分布.通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),參量e決定下凹的深度;參量ye0決定分布的寬度.也就是說(shuō),ye0越大,分布越寬.對(duì)于SPS和RHIC能區(qū),ye0的大小近似對(duì)應(yīng)為雙峰分布的一個(gè)峰的分布寬度,從某種意義講,它反應(yīng)了核阻止本領(lǐng)的特性.在計(jì)算中溫度參量T取0.14GeV,質(zhì)子的質(zhì)量取0.938GeV.對(duì)于RHIC能區(qū)來(lái)講,研究射彈能量損失是一個(gè)重要的研究課題,損失的能量將用于粒子的產(chǎn)生.為了深入研究,選取質(zhì)子快度分布作為研究對(duì)象,由于高能反應(yīng)中重子數(shù)守恒,因此,對(duì)應(yīng)的快度分布受重散射影響較小,測(cè)量的凈重子(B-ˉB)分布不僅包含能量損失的信息,而且還包括核阻止本領(lǐng)的討論.平均快度損失定義為〈δy〉=yp-〈y〉(6)是定量計(jì)算重離子碰撞核阻止本領(lǐng)的一個(gè)物理量,其中,yp對(duì)應(yīng)射彈的快度,〈y〉對(duì)應(yīng)為碰撞后的凈重子平均快度,其表達(dá)式為?y?=2Νpartyp∫0y×dΝ(B-ˉB)(y)dydy,(7)這里Npart對(duì)應(yīng)為碰撞中參加反應(yīng)的核子數(shù).對(duì)應(yīng)有兩個(gè)極限情況:(1)完全阻止,入射重子在碰撞中完全施放所有動(dòng)能(〈δy〉=yp);(2)核完全透明,入射重子在碰撞中沒有動(dòng)能釋放(〈δy〉=0).由(3)和(4)式,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別給出AGS,SPS和RHIC的凈重子分布的〈δy〉大小,由表1給出.平均快度損失〈δy〉是與核阻止本領(lǐng)大小密切相關(guān)的物理量,它與分布形狀緊密相連,〈δy〉越大,分布寬度越大,與縱向非均勻流理論討論的發(fā)射源快度范圍ye0意義很接近.它們都是與核阻止本領(lǐng)大小密切相關(guān)的物理量.在1996—1998年,BNL和AGS成功進(jìn)行了真正意義的重離子Au-Au和Pb-Pb碰撞,取得了許多有重大學(xué)術(shù)意義的結(jié)果,特別是證實(shí)了核阻止本領(lǐng)對(duì)核依賴關(guān)系.在較低的AGS能區(qū),射彈的快度yp大小在1.6左右.由于產(chǎn)生的反重子數(shù)目較少,凈重子分布近似等同于質(zhì)子分布.凈質(zhì)子快度分布的中心位于y=0處,分布比較窄,快度附近出現(xiàn)峰.AGS能區(qū)的橢圓度參量e為0.7327,縱向集體流表現(xiàn)為較均勻的分布特征,在中心區(qū)有較多的粒子產(chǎn)生.而SPS能區(qū)的凈質(zhì)子分布已經(jīng)有明顯的中心下凹(或雙肩峰)現(xiàn)象,這表明SPS能區(qū)(yp=2.9),核開始表現(xiàn)為較好的透明性,SPS的橢圓度參量e已經(jīng)開始減少,集體流在中心區(qū)較AGS稀疏,只有較少的粒子在中心快度區(qū)間產(chǎn)生;RHIC能區(qū)的入射核的快度為yp=5.4,通過與AGS和SPS能區(qū)的凈質(zhì)子分布比較,發(fā)現(xiàn)RHIC的分布特征與AGS和SPS是有許多不同的.例如,在y=0附近,每單位快度的凈質(zhì)子數(shù)僅僅為7,比AGS和SPS要小得多,下凹部分與SPS相比,有一個(gè)快度單位的分布平臺(tái),在y=±2附近形成雙肩峰.RHIC能區(qū)的橢圓度參量e最小,僅為0.16,明顯小于SPS和AGS的e值大小.這表明RHIC能區(qū)的縱向流分布最不均勻.由此可見,縱向非均勻流理論所引入的兩個(gè)參量e和ye0,在某種程度上講,都有它們各自的物理內(nèi)涵,e是一個(gè)反映集體流分布非均勻程度物理量,e越小,ρ(ye)分布就越陡峭,表示縱向流在中心區(qū)分布越稀疏,在大快度區(qū)分布越稠密,通過圖2、圖3和表1發(fā)現(xiàn),對(duì)不同能區(qū),從AGS,SPS到RHIC能區(qū),凈質(zhì)子分布的橢圓度e的值是逐漸減小的.總之,以上的結(jié)果表明,RHIC能區(qū)的核幾乎是完全透明.碰撞后,物質(zhì)和能量分布主要在兩個(gè)區(qū)域:核碎裂區(qū)和中心區(qū).在核碎裂區(qū),包含被激發(fā)的碰撞核的碎片,這些碎片的平均快度損失在2.2左右.而在中心區(qū)對(duì)應(yīng)的是大量產(chǎn)生粒子,質(zhì)子產(chǎn)生大都以質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)形式產(chǎn)生的,凈重子數(shù)近似為零.2.3酸分布的分布在高能重離子碰撞中產(chǎn)生的質(zhì)子包括直接產(chǎn)生的質(zhì)子和由產(chǎn)生質(zhì)子對(duì)所產(chǎn)生的質(zhì)子.在圖4中顯示了RHIC能區(qū)(質(zhì)心系能量200GeV)的質(zhì)子、反質(zhì)子和凈質(zhì)子(質(zhì)子減反質(zhì)子)的分布.可以看出,質(zhì)子、反質(zhì)子分布的快度分布在中心區(qū)呈較平坦的分布特點(diǎn),然后隨著快度的增大,分布下降,表明質(zhì)子和反質(zhì)子呈現(xiàn)較均勻分布特點(diǎn)(對(duì)應(yīng)e→1);而凈質(zhì)子分布呈中心下凹現(xiàn)象;在中心區(qū)質(zhì)子大都是成對(duì)產(chǎn)生的.由反質(zhì)子的分布,可以看出質(zhì)子、反質(zhì)子對(duì)分布的特點(diǎn),表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)木鶆蛐?3rhic能區(qū)凈雜質(zhì)的分布特征最早把核阻止本領(lǐng)引到高能核-核碰撞是Busza和Goldhaber,它用來(lái)描述一個(gè)入射核子在與另一個(gè)核碰撞時(shí)所受到的核物質(zhì)的阻止程度.討論核阻止本領(lǐng)一方面可以幫助我們了解反應(yīng)機(jī)制,另一方面,核阻止本領(lǐng)還與夸克-膠子等離子體形成有關(guān).由于在入射核物質(zhì)損失動(dòng)能的同時(shí),伴隨著大量的粒子產(chǎn)生(主要是π介子),一大部分能量轉(zhuǎn)化為碰撞系統(tǒng)質(zhì)心附近產(chǎn)生的強(qiáng)子物質(zhì)能量.核-核碰撞的阻止本領(lǐng)的大小將決定在質(zhì)心附近的能量密度是否足夠高,以致可以發(fā)生相變導(dǎo)致形成夸克-膠子等離子體.從本文分析可以看出:RHIC能區(qū)的凈質(zhì)子分布特征與AGS是完全不同的.定性地講,高能重離子碰撞可以分為兩個(gè)不同的能量區(qū)域:即每核子√S≥100GeV的無(wú)重子夸克-膠子等離子體區(qū)域和每核子√S≈5—10GeV的豐重子夸克-膠子等離子體區(qū)域.在無(wú)重子夸克-膠子等離子體區(qū)域,射彈重子與靶重子相互穿透,留下重子數(shù)很小的夸克膠子等離子體;而在AGS能區(qū),在核阻止區(qū)間,碰撞重子幾乎完全阻止,粒子能量和重子數(shù)的不斷堆積而形成重子數(shù)很大的夸克-膠子等離子體區(qū)域.與我們前面工作相比,本文著重分析和比較RHIC,SPS和AGS能區(qū)的集體流分布特征和核阻止本領(lǐng),通過分析發(fā)現(xiàn):平均快度損失〈δy〉是與核阻止本領(lǐng)大小密切相關(guān)的物理量,它與分布形狀緊密相連,〈δy〉越大,分布寬度越大,與縱向非均勻流理論討論的發(fā)射源快度范圍ye0意義很接近.它們都是與核阻止本領(lǐng)大小密切相關(guān)的物理量.另一方面,本文所分析的都是較大的碰撞系