LHC-ALICE實(shí)驗(yàn)中的光子-強(qiáng)子關(guān)聯(lián)測量及碎裂函數(shù)研究.pdf

1、在現(xiàn)代自然科學(xué)研究中，一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的研究目標(biāo)是在最小尺度上探索物質(zhì)的構(gòu)成。一種描述基本粒子與作用力的理論，現(xiàn)在大家稱它為標(biāo)準(zhǔn)模型，假定物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是由夸克和輕子通過規(guī)范粒子的相互作用而組成的，認(rèn)為組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元是夸克(u，d；c，s；t，b)、輕子(e，Ve；μ，νμ；T，μT)，以及傳遞相互作用力的媒介子，即玻色子(W士和Z0)，膠子(g)和光子(γ)。基本作用力根據(jù)規(guī)范粒子的不同劃分為電磁相互作用，弱相互作用和強(qiáng)相互作用

2、。正是這些基本粒子和相互作用力構(gòu)建了亞原子世界。然而，這個理論并不十分完備，因?yàn)樗廊粺o法解釋某些基本的問題，比如：基本粒子質(zhì)量的起源、宇宙的真實(shí)真空、以及宇宙中物質(zhì)遠(yuǎn)比反物質(zhì)多的問題…。 隨著2008年大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)的運(yùn)行，我們有望進(jìn)一步觸及這些問題。特別是，位于歐洲核子研究中心(CERN)的加速器將實(shí)現(xiàn)前所未有的TeV能區(qū)下的高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)(ALICE)，其目的在于研究高溫高能量密度的極端條件下強(qiáng)相互作用的基本

3、性質(zhì)及其物理真空。而且，它還將探索基本粒子的夸克膠子自由度問題：夸克膠子等離子體(QGP)。 李政道先生早在1974年就提出：“it would be interestinq to explore new phenomena by distributing high energy or high nuclear’density orer relatively large volumes”。他認(rèn)為在高能重離子碰撞中熱密物質(zhì)將以QG

4、P的形式存在，那時夸克將不再禁閉在普通強(qiáng)子物質(zhì)內(nèi)，而真空中的手征對稱性也將得到(部分)恢復(fù)。極端相對論重離子物理，作為一個應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模型于有限體積復(fù)雜演化體系來檢驗(yàn)李政道預(yù)言的一門學(xué)科，因此誕生。 基于量子色動力學(xué)(QCD)，利用格點(diǎn)計(jì)算方法，人們成功預(yù)言了夸克從禁閉的普通強(qiáng)子物質(zhì)中退禁閉到QGP相的臨界溫度。實(shí)驗(yàn)上，該臨界溫度首先在CERN√SNN=17.2 GeV下的SPS重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中達(dá)到。進(jìn)而在美國布魯海文國家實(shí)驗(yàn)室(B

5、NL)運(yùn)行的質(zhì)心能量√SNN=60-200 GeV下的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)了從強(qiáng)子物質(zhì)到夸克物質(zhì)的相變能在高溫高密條件下發(fā)生。通過比較質(zhì)子-質(zhì)子碰撞和核-核碰撞的測量結(jié)果，一些能夠預(yù)言QGP形成的探針被找到。例如：SPS能區(qū)下的J/ψ壓低，奇異粒子產(chǎn)額增強(qiáng)，RHIC能區(qū)高橫動量粒子譜的壓低，反映部分子集體運(yùn)動效應(yīng)的橢圓流等。盡管QGP形成的證據(jù)尚需更大統(tǒng)計(jì)量事例和更高能區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí)，目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，

6、夸克膠子等離子體這種新物質(zhì)相能夠在高溫高能量密度下形成，在PHIC上觀測到的這種新物質(zhì)相更多的表現(xiàn)為強(qiáng)相互作用下的理想液體，不同于理論預(yù)言的自由氣體。 CERN/LHC將提供質(zhì)心系能量、√SNN=5.5 Tev的重離子碰撞，該能量接近RHIC碰撞能量的30倍，它將允許在更高溫度下形成的熱密QCD物質(zhì)持續(xù)更長時間。另外，LHC能區(qū)的重離子碰撞誘導(dǎo)產(chǎn)生的硬散射過程更加豐富，這些敏銳的硬探針將提供TeV能區(qū)下細(xì)致研究QGP性質(zhì)的機(jī)會。

7、比如，在核-核中心碰撞中高橫動量強(qiáng)子產(chǎn)額的壓低和背對背噴注之間的關(guān)聯(lián)消失。正在建造并將于2008年投入運(yùn)行的ALICE探測器就是為了更加系統(tǒng)的測量核-核碰撞中產(chǎn)生的末態(tài)粒子，由此反映碰撞初期出現(xiàn)的熱密物質(zhì)相的性質(zhì)。特別是，通過測量相空間中強(qiáng)子譜的改變，可以研究硬散射部分子在穿越密度物質(zhì)時的能量損失效應(yīng)及碎裂函數(shù)性質(zhì)。在重離子碰撞中，由于噴注淬火效應(yīng)，硬散射過程產(chǎn)生的大橫動量部分子穿越密度物質(zhì)時會因?yàn)槎嘀厣⑸涠鴵p失能量，導(dǎo)致高橫動量的強(qiáng)子

8、產(chǎn)額減少，低動量強(qiáng)子數(shù)目會增多，引起強(qiáng)子譜在相空間中的重新分布。因此，通過測量核環(huán)境下部分子的碎裂函數(shù)(FF)，即測量部分子噴注產(chǎn)生的強(qiáng)子攜帶噴注動量份額z=PTh/EjetT的分布函數(shù)，將真空中的碎裂函數(shù)(質(zhì)子-質(zhì)子碰撞或核-核邊沿碰撞中的碎裂函數(shù))與被介質(zhì)修正后的碎裂函數(shù)(核-核中心碰撞下的碎裂函數(shù))分布進(jìn)行比較，就可以推斷核-核碰撞中的密度物質(zhì)及其性質(zhì)。 本論文著重開展如下兩方面的工作。首先，研究ALICE實(shí)驗(yàn)中光子譜議(

9、PHOS)在探測和鑒別光子時的性能表現(xiàn)。PHOS是一種高能量和位置分辨率的電磁量能器，其接受度范圍△η=0.24，△φ=100°。由于有限的接受度，在碰撞過程中產(chǎn)生的某些光子落在PHOS模塊的邊緣使得沉積在晶體上的能量不能獲得完整的重建，這些光子將不能被PHOS正確探測到。利用ALICE實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)據(jù)分析軟件AliRoot進(jìn)行模擬，我們得到，由于PHOS探測器的邊緣效應(yīng)，光子探測效率會降低約10％。同時，光子在穿越位于PHOS之前的其它

10、探測器時與探測器物質(zhì)發(fā)生相互作用而使光子轉(zhuǎn)換成正負(fù)電子對（γ→e+e-)。模擬結(jié)果表明，不同探測器對光子探測效率的影響程度不一樣。例如，光子在時間投影室(17PC)和內(nèi)部徑跡系統(tǒng)(ITS)的轉(zhuǎn)換幾率約為10％，而在躍遷輻射探測器(TRD)和時間飛行探測器(TOF)中的轉(zhuǎn)換幾率接近20％。該工作的第二部分，主要聚焦在硬散射過程中的光子-噴注測量，論文著重研究了PHOS對能量高于20GeV的光子的性能表現(xiàn)，以很好的區(qū)分硬散射過程產(chǎn)生的直接光

11、子和來自強(qiáng)子衰變的大量背景光子，從而計(jì)算直接光子的探測和鑒別效率。為此，我們對ALICE探測器作了完整的模擬，兩種類型的事件被產(chǎn)生。一種事件是，在每個碰撞事件的部分子硬散射過程中，一個高能光子產(chǎn)生于康普頓散射過程或湮滅過程，我們稱該類型事件為γ-jet事件；另一種情形是，在硬散射過程中兩個部分子碎裂成背對背噴注，其中一個部分予碎裂成噴注時產(chǎn)生一個高能π°，此過程稱為歹jet-jet事件。兩種事件均是通過對AliRoot軟件環(huán)境中的PYT

12、HIA產(chǎn)生器選擇不同的硬散射過程實(shí)現(xiàn)。在模擬事件中，我們限制觸發(fā)粒子γ(在γ-jet中)或π°(在jet-jet中)散射在PHOS接受度內(nèi)。鑒別方法的性能研究表現(xiàn)為直接光子的鑒別效率和衰變光子誤判為直接光子的幾率。其中鑒別過程分為兩步。首先，通過量能器上形成的簇射形狀分析，對稱的簇射形狀標(biāo)記為直接光子，不對稱的橢圓形狀表示衰變光子。該方法能夠很好的排除衰變光子但對于高能衰變光子不夠有效。因此，基于瞬時直接光子的運(yùn)動學(xué)信息，本文探索了孤立

13、截?cái)嗟姆椒?。在硬散射過程中直接光子的產(chǎn)生是孤立的，與直接光子不同的是，衰變光子將被部分子碎裂的強(qiáng)子包圍。利用光子周圍的不同強(qiáng)子行為，采用孤立截?cái)喾椒?，我們能夠有效的扣除被誤判為直接光子的衰變光子，降低污染效率，得到一個相對純凈的直接光子源。 利用簇射形狀分析和孤立截?cái)喾椒ǖ玫降闹苯庸庾?，通過建立光子和所有的帶電強(qiáng)子之間的方位角關(guān)聯(lián)，我們發(fā)現(xiàn)，在γ-jet事件中存在明顯的背對背關(guān)聯(lián)，但沒有與光子同向的關(guān)聯(lián)。而在jet-jet事件中

14、，同時存在近端(near side)關(guān)聯(lián)和遠(yuǎn)端(far side)關(guān)聯(lián)。 為研究部分子的碎裂函數(shù)，我們構(gòu)造了光子-強(qiáng)子之間的非平衡分布?；诮o定的運(yùn)動學(xué)條件，光子背面的強(qiáng)子與光子之間動量的非平衡變量Zγ-h=-→PTh·→PTr/|PTr|2與領(lǐng)頭階運(yùn)動學(xué)條件下QCD理論計(jì)算的碎裂變量z等價，這種等價性在如下運(yùn)動學(xué)條件下成立： ·所有強(qiáng)子必須源于一個硬散射的部分子碎裂(PTh>AQCD)；在核-核碰撞中應(yīng)排除伴隨事件中的

15、軟粒子貢獻(xiàn)； ·直接光子必須是從部分子的硬散射過程中直接產(chǎn)生(PTr>pcutTr》AQCD)，而不是從噴注碎裂而來； ·zr-h與z的等價范圍由給定光子和強(qiáng)子的動量截?cái)嘀禌Q定。因此，為了得到最大限度的等價性，光子和強(qiáng)子的動量截?cái)嘀祽?yīng)該是非對稱的(PcutTr》PcutTh)。實(shí)驗(yàn)上，對運(yùn)動學(xué)約束條件的選擇也需充分考慮到能夠獲取數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量以及采用孤立截?cái)喾椒ㄨb別直接光子的效率。在ALICE實(shí)驗(yàn)中，合理選擇光子能量的截?cái)?/p>

16、值約為～20 GeV，強(qiáng)子動量的截?cái)啾M可能避免軟過程區(qū)域(PT<2 GeV/c)，在此區(qū)域中，碎裂函數(shù)主要由伴隨事件中的軟粒子決定。為了排除軟粒了的影響，選取適當(dāng)?shù)膹?qiáng)子動量截?cái)?PT>2 GeV/c)，可以扣除測量過程中的背景粒子，從而減少系統(tǒng)誤差。 為了證實(shí)該測量的有效性，本文進(jìn)一步估計(jì)了在LHC質(zhì)子-質(zhì)子運(yùn)行一年的統(tǒng)計(jì)誤差以及來自衰變光子污染的系統(tǒng)誤差。同時，通過驗(yàn)證研究，證實(shí)了非平衡分布是對噴注碎裂函數(shù)的一個很好近似，其中

17、噴注的碎裂函數(shù)是通過事件產(chǎn)生器PYTHIA中的噴注尋找算子UA1計(jì)算理想的碎裂函數(shù)得到。結(jié)果顯示，在√s=14 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中，采用γ-強(qiáng)子關(guān)聯(lián)方法測量的非平衡分布與部分子噴注碎裂函數(shù)在z=0.12-0.75的范圍內(nèi)一致。 利用光子-強(qiáng)子關(guān)聯(lián)方法研究碎裂函數(shù)，極大的降低了在標(biāo)準(zhǔn)噴注算法下對噴注能量范圍的限制，顯著提高了事件統(tǒng)計(jì)量，增加了觀測結(jié)果的可信度。因此，光子-強(qiáng)子關(guān)聯(lián)測量是實(shí)驗(yàn)上研究碎裂函數(shù)的黃金探針，該測量在L