QGP 强子化过程中 夸克组合机制普适性的研究

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QGP 强子化过程中夸克组合机制普适性的研究

导 师 谢去病教授山东大学 2009 年 5月 27日

答辩人 姚 涛

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1. 研究动机2. 夸克组合模型 (QCM)

3. QCM 在高能核核反应中的应用

4. 总结和展望

提 要

• 强子的产额、比例和横动量谱• 带电粒子的快度分布• 强子椭圆流• 粲强子的产生

3

• 中等横动量区域‘反常’的重子 / 介子比 夸克组合机制，与碎裂图像矛盾• 强子椭圆流的价夸克数标度性 (QNS) 夸克组合机制• 核修正因子 分成重子、介子两组 , 按奇异成分排序• 介子的 和椭圆流行为 : 不同于质子，类同于轻介子 ……

1. 高温高密的部分子物质 (QGP) 已经产生2. 在中等 区域， QGP 的强子化机制是夸克组合机制，而不是碎裂机制 !

组合机制是否是普适的强子化机制呢 ?!Tp

AARCPR

CPR

2 2

2 2 2cos 2 x y

x y

p pv

p p

研究动机

RHIC 实验的一些‘意外’

4

夸克产生律：

自动确定了总的重子 / 介子比例，保证了组合过程中夸克数目及其味道守恒

快度近关联 介子优先于重子产生

强子化过程味道守恒夸克随机组合

奇异抑制的 对称性(3)fSU

末态强子直生重子 (56 重态 )直生介子 (36 重态 )

夸克组合律：

QCD 基本性质 -- 形成介子的吸引力是形成 diquark 的两倍

十重态对八重态直生重子的比例 D/O

矢量介子对赝标介子的比例 V/P

夸克组合律

解析计算或PYTHIA 产生器处理衰变

夸克组合模型 (QCM)

成功解释了电子湮灭和 pp( ) 反应的许多实验现象！p

...qqqqqqqqqB MM

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QCM 在 RHIC 反应中的推广夸克组合模型

2[ 1] / 2AAqq eff partN S N

11/ 4, 3.6 , 0.37m GeV m GeV

平均每对参加碰撞核子的有效质心能量effS

假定平均每对参加碰撞核子产生的新生夸克对数与相同能量的电子湮灭反应相同

1. 高能核核反应中的夸克产生律：

夸克组合律：快度近关联

同向大小相同 (近 )Tp

三维相空间分布：快度平台或高斯型分布横动量分布 ( )Tf p

一维相空间分布：快度平台分布

2. 高能核核反应中的夸克组合律：

新生夸克对数

净夸克数目

总的 u,d,s夸克数目+

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夸克组合模型

QCM 与其它组合模型的主要区别

QCM 用符合夸克组合律的 Monte-Carlo 程序代替了上述组合公式

Tp

：夸克分布函数， ：强子组合函数• 或强子的波函数 强子的产额、 谱等性质 • 不满足幺正性 [1] 有限几种强子的某些特性。不可能在保证夸克

数目及其味道守恒的条件下，统一地描述所有的末态强子

1 21 2 1 23 3 3

1 2

( ) ( ) ( , , ),(2 ) (2 )

Mq q M

EdN dp dpf p f p p p p

d P E E

通常的组合模型都采用了如下组合公式 ( 介子为例 ) ：

M

Tp

[1]: Phys. Rev. Lett. 91, 092301; J. Phys. G30, S235; J. Phys. G32, L11

M

可以统一地描述全部 SU(3) 或 SU(4) 强子的某些特性：强子的产额、比例、 谱等

不需要明显的组合函数满足幺正性

这是 QCM 区别于其他组合模型的独特优点

,q qf

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QCM 在高能核核反应中的应用

I. 强子的产额、比例和横动量谱

62.4、 130和 200GeV ， 5%中心度中间快度区的 QCM 结果和实验数据的比较NNS

都在数据的误差范围内！表 1 ：

8

强子的产额、比例和横动量谱

200 GeV Au+Au

200 GeV Au+Au

介子 重子

在解释 RHIC 反应的强子产额 、比例和 谱方面，组合机制在所有横动量区域都是普适的 !

Tp

在大、中、小 范围， QCM都使用同样的组合机制！Tp

9

Landau 流体力学模型 夸克的高斯型纵向快度分布：

II. RHIC 反应中带电粒子的快度分布F.L.Shao, T.Yao, and Q.B.Xie, Phys. Rev. C75, 034904 (2007)

QCM 在高能核核反应中的应用

222

2 4

2~ exp( ), ln( ),

2 1 2q s NN

s p

dN c sy

dy c m m

分别是质子和 pion 的质量

,pm m

高能核核反应的夸克产生律 净夸克数

不同能量、不同中心度的总 u,d,s夸克数目+

PHOBOS 数据点

sc是 QGP 的声速，

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130 GeV Au+Au200 GeV Au+Au

RHIC 反应中带电粒子的快度分布

11

上图：带电粒子赝快度分布的能量依赖

夸克组合机制很好地描述了粒子多重数的纵向分布 !

RHIC 反应中带电粒子的快度分布

12

3 2

3 [1 2 ( )cos( )]2 n T

nT T

d N d NE v p nd p p dp dy

QCM 在高能核核反应中的应用

III. 强子椭圆流及其质量结构的研究

2 2

2 2

y x

y x

2 2

2 2 2

1

( ) cos 2 ,

tan ( ),

x yT

x y

y

x

p pv p

p p

p

p

核子在坐标空间分布的各向异性 末态强子在动量空间分布的各向异性

x

yy

SQGP 的产生演化

末态相互作用…

py

px

T. Yao, Q.B. Xie, F.L. Shao, Chinese Physics C 32(05), 356-362, 2008.

方位角

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细致结构的存在是否说明组合机制在小横动量区域不适用 ?!

椭圆流的细致结构

强子椭圆流及其质量结构的研究

QNS 现象是 RHIC 实验的亮点之一 组合机制是主要的强子化机制

影响细致结构的可能因素主要有：衰变、夸克质量和不等 组合Tp

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强子椭圆流及其质量结构的研究

直生重子

直生介子

• 不同味道的直生介子、重子的 分别重合，二者的 QNS 谱线互相重合

• 衰变对 的椭圆流影响较大

• 末态强子 的顺序和质量结构的顺序完全一致。衰变部分地解释了细致结构

等 组合且 2, 2,u d sv vTp

A. 衰变对椭圆流质量结构的影响

, , ( ), ( )K p p

末态强子

2v

2v

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强子椭圆流及其质量结构的研究

• 直生强子的椭圆流按照它们的味道成分发生劈裂

• 衰变导致末态强子椭圆流的更大劈裂

• 以外其他强子的椭圆流都较好的符合实验数据

B. 夸克质量对椭圆流质量结构的影响

等 组合且 2, 2,u d sv vTp

质量大， 小2,qv

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夸克横动量偏离强子的价夸克数归一横动量的大小

强子椭圆流及其质量结构的研究

C. 不等 组合对椭圆流质量结构的影响Tp

直生重子

直生介子

• 重子对 QNS 的偏离总是大于介子 重子介子分成两组，中等 区域的表现更加明显

• 强子椭圆流对 QNS 的偏离既依赖于 ，又依赖于 ，可大于或小于

Tp

夸克的平均横动量差 : ,1 T

n

T T iipq np n

Tq

2 2 2 2

2 2 2 2

2 2

1 4 1 4 1 4 1 4

2

0 4 0 4

, , , ,

, , ,

,

( . ) ( . ), ( . ) ( . )

( ) /

( . ) ( . )

C B D Bq T q q T q

C D A Bq q q

E Fq

v q v v q v

v v v v

v v

， 随 单调增加

Tq 对 QNS 的偏离

B MT Tq q Tq Tp n

A

BC

D

2, ( )q Tv p

E

F 2, ( )q Tv p2, ( )q Tv p

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• 考虑衰变、夸克质量的影响和不等 组合三部分的贡献， QCM完全解释了包括 Pion 在内的椭圆流的细致结构

• 衰变、夸克质量的影响主要表现在小 区域。不等 组合导致的对 QNS 的偏离，更明显地体现在中等 区域，可作为检验不等 组合贡献大小的判据

强子椭圆流及其质量结构的研究

2, ( )q Tv p

细致结构与组合机制并不矛盾！

再计入衰变、夸克质量的影响

Tp

Tp

Tp Tp

Tp

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强子椭圆流及其质量结构的研究

小 结

1. 衰变是椭圆流质量结构的重要来源。但还不足以完全解释这个结构

2. 夸克的质量效应进一步破坏了 QNS ，并导致椭圆流更好地符合数据，但 的椭圆流和数据仍然不符

3. 中等 区域 QNS 谱线重介子明显分组的效应可作为检验不等 组合贡献大小的判据

4. 考虑了这三个因素的影响， QCM 定量解释了强子椭圆流的细致结构

在描述强子椭圆流的性质方面，小 区域和中等 区域一样，组合机制都是适用的！

Tp

Tp

TpTp

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修正 PYTHIA 粲强子比例

粲强子产生是理论和实验关注的焦点之一

＊ PHENIX 和 STAR 合作组已做了许多测量

IV. 相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

重子增强 组合机制 粲重子增强

不同的粲强子比例

不同的分支比 0/ /,

e cc D ccR R 对 的影响NN

cc ？

The binary scaling of ; 但 STAR 的 约为 PHENIX的 2 倍 !NNcccc

0 0 02 2/( ) / ( ) / // , / ,NN NN NN NN

cc e cc cce e D D D ccR R

＊ 理论文章 : the charm flow, 能量损失 , 产生等/J

QCM 在高能核核反应中的应用

T. Yao, W. Zhou, Q. B. Xie, Phys. Rev. C 78, 064911 (2008)

依赖于精确的粲强子比例

QCM 的优点 核核反应中各种粲强子比例

/,

e ccR 0 /D cc

R电子湮灭反应

！

20

200 GeV 能量下，同时拟合的 介子、单举电子、非光生电子和muon 的 谱。实 (虚 )线分别对应于 STAR(PHENIX) 的截面Tp

0 0( )D D200 GeV 能量下，中间快度区粲重子 / 介子比的 依赖

性。小图是 QCM给出的非光生轻子的 对 的依赖性AAR TpTp

相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

A. 粲重子 / 介子比的 依赖性Tp

• 粲重子显著增强

• 3 GeV/c 附近，衰变使 的峰超过了 的峰

• 峰变宽，向大 方向发生了移动

• 峰的形状决定于：组合机制、衰变效应和粲夸克的 谱

c c

s sD D

Tp

Tp

c c

D D

21

B. 200 GeV 核核反应中的粲强子比例

~67.7%

~100%

~32.3%

1. 奇异增强 : 0.3 0.48s

2. 介子衰变

3. Default 3c cV P

PHENIX 采用

if 1.5c cV P

0.81sD D

1sD D

表2： 62.4， 130， 200和 5500 GeV 的最中心 Au+Au (Pb+Pb) 反应中，中间快度区的粲强子密度及其比例

0.56sD D

但是

相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

c cV P

22

PHENIX 假定 和

有 , 而 QCM 有

增大 ~12% !

采用 PDGlive 的

增大 ~17% !%)4.00.16(%17.053.6 %10.8 99.084.0/

cceR

最新衰变分支比

NNcc

NNcc

0 00.317, 0.31,sD D D D 0 0.301,c D

0 ( )D D e anything

缩小了 PHENIX和 STAR 的 差别，但不能完全消除NNcc

相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

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• 参数 ： 的产额随参数增加而增加

1. 忽略径向流，研究对中心度的依赖性2. 不必严格确定 c的 谱，即可得到可靠的 LHC

能量下粲强子比例

和 与 净夸克数无关

C. 粲强子比例的参数依赖性

• 参数 ： 十重态粲重子全衰变到八重态 无依赖性

c cV P

• 参数 : / /,

e cc ccR R 与 无关

• 参数 : 0/ / /,

e cc cc D ccR R R

• c夸克 谱 ：各比例对 谱变化很不敏感

~67.7%~32.3% ，

c cD O

0 0( )D D

ddN N

Tp

Tp Tp

s

相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

s

24

D. 粲强子比例的中心度依赖性

cH binccM N N NN pp

bin inelcc ccN N

4/3bin partN N＋.cH

bin

dMconst

N dy 1/3cH

partpart

dMN

N dy

：单 c强子产额 cH

M

单 c强子比例和 都与中心度或 无关NNcc0/ / /

, ,e cc cc D ccR R R

此结论在不同入射能量时仍然成立！尽管理论给出的 (如 LHC 能量时 ) 有很大的不确定性，但得到的不同能量下粲强子比例仍是可靠

的 !

NNcc

除边缘碰撞外，模型参数与中心度无关＋

相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

bin partN N 中心度

25

QC

M

E. 粲强子比例的能量依赖性

,c c c cV P D O

组合机制

参数

高能核核反应普适的强子化机制

奇异抑制因子

净重子数 随能量变化 比例随能量变化

= 0.52, 0.48, 0.48, 0.48

= 0.859, 0.915, 0.927, 0.986(0.995)S

ddN N62.4, 130, 200 GeV RHIC

5500 GeV LHC

RHIC 和 LHC 的预言见 表2

S

/ /,

e cc ccR R0 /D cc

R 依赖于 ，进而依赖于 ；NNsS NNs与 无关

相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

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• 预言了粲重子 / 介子比例，如 , 和 对 依赖性。 和 比类似，中等 区域的粲重子增强非常显著

• 因为重子增强和奇异增强，核核反应中的粲强子比例明显不同于 湮灭和 反应。根据 PDG最新的衰变数据，这些不同的比例导致PHENIX测量的截面 增大 ~17%！

• 研究了单 c强子比例和 对能量、中心度、和各种参数的依赖。它们与中心度和截面 无关

• 第一次在组合框架下，全面给出了 RHIC 和 LHC 能量的 和各种粲强子比例的预言。这些预言对将来精确的 测量是重要的，而且粲强子的组合强子化机制也可以被实验检验

小 结

( )pp p

ee

00

c c cc c c

s sD D D DD D

Tp

Tpp

NNcc

NNcc

NNcc

0/ / /, ,

e cc cc D ccR R R

0/ / /, ,

e cc cc D ccR R R

相对论重离子碰撞反应中粲强子的产生

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检验不等 组合贡献大小的判据粲重子 / 介子比例对 依赖性RHIC 和 LHC 能量的粲强子比例等……

给出了某些有待实验检验的理论结果：

表明了组合机制在所有横动量区域都是适用的，有力地支持了夸克组合是 QGP 普适的强子化机制的推断

展望 :1. 重味产生方面进一步的工作2. 强子关联产生方面的工作3. 更高能量如 LHC 反应的有关工作4. 更低能量相对论核核反应的有关工作5. QCM发展完善方面的有关工作......

总结 :

Thank you all !

总结和展望

Tp

强子的产额、比例和横动量谱带电粒子的快度分布强子椭圆流粲强子的产生

Tp

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博士期间已发表的学术论文：