（粒子物理与原子核物理专业论文）新型粒子探测器——多气隙电阻板室的性能研究.pdf

2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 中又搁要 高能重离子对撞物理是2 0 世纪7 0 年代以来形成的个新的研究领域，其目 的是研究在相对论和极端相对论条件下，由核一核碰撞所产生的极端高温，高 密度核物质的性质，探测新的核物质相。这种研究对人们了解粒子物理，核物 理和有关宇宙形成及其演化都具有非常重要的意义。美国布鲁克海汶国家实验 室( b n l ) m f l 对论重离子对撞秽i ( r i q i c ) 能够将碰撞核子加速到几百g e y ，目的是 通过分析末态粒子携带的信息寻找夸克胶子等离子体( q g p ) ，进一步研究和发现 新物质形态和新粒子。r h i c s t a r 探测器的物理目标是研究高能量密度下强相 互作用的物质，寻找q g p 。为了提高s t a r 探测器的粒子鉴别能力，中美双方f 在 合作建造多气隙电阻板室( m r p c ) 飞行时间谱仪( t o f ) 。m r p c 具有探测效率高和 时间分辨好等优点，工作在雪崩模式下的m r p c 具有几百h z c m 2 的计数率能力， 可以满足粒子多重性探测要求。 该论文围绕新型粒子探测器m r p c 的基本性能研究，从4 个方面展开详细的 分析和研究。分别从工作气体环境的变化，电极材料的变化，读出电极尺寸 的变化，以及几何结构变化等几方面研究m r p c 的基本性能，以进一步了解掌 握m r _ p c 的工作机理和工作条件。本论文的全部实验工作都是基于宇宙线测试完 成的。 通过对m r p c 的工作气体温度和气体比分的变化对其性能的影响的研究，揭 示了m r _ p c 的雪崩过程对环境温度和气体比分的依赖性，为掌握m r p c 运行的物 理机制提供了重要的数据，同时为m r p c 的工作环境条件的控制提供了可靠的依 据。工作气体对m r p c 性能的影响包括两个方而：工作气体温度的改变和气体成 分比例的改变。实验发现，随着气体温度升高，m r p c 的暗电流增加，噪声呈指 数上升，效率坪提前和平均电荷量增加。这些实验现象和规律可以用m r p c 的雪 崩放大的增益随温度增加而增加来解释。气体温度的升高造成原初电离密度变 小，电子的平均自由程变大，电子的电离截面增加，有效汤生系数的增大，气 体增益变大，m r p c 的信号幅度，噪声，暗电流，效率都随气体增益的增大而 增加。流气式工作的m r p c ，气体压强不变，气体密度随温度升高而变小，依 赖e p 的气体增益随温度升高而变大。在温度变化较小时，论文t 作提出可以用 经验公式v = k 铬来调整工作条件。不同气体比分对m r p c 性能的影响，主要 由气体本身的性质决定，电子的平均自由程随氟利昂在混和气中的比分升高而减 小，电子电离截面变小，汤生系数变小，电子漂移速度变慢，所以感应信号幅度 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 变小，m r p c 的效率降低。即随氟利昂比分增多，探测效率坪后移。本文计算了 气体温度改变和不同气体比分下的气体参数，用蒙特 罗方法模拟了气体条件改 变时对m r p c 特性的影响，模拟结果与实验非常符合。通过实验和模拟的结合分 析，了解了工作环境对m r p c 性能的影响本质是气体增益的变化，导致m r p c 的性 能随之发生了变化。所以保证m r p c 正常t 作的前提是必须保证 - 作环境的稳定 合适，由此对工作环境的控制变得尤其重要。 为了研究电极材料的面电阻率对m r p c 性能的影响，比较了两种不同而电阻 率电极的m r p c 的性能。电极面电阻率对m r p c 串扰( c r o s s t a l k ) 的影响来源于三个 方面，读出条之间的电容耦合，感应信号在电极上分布( f o o t p r i n o 的几何尺寸， 电子学的线路之间的串扰影响。本文主要对后两方面加以研究。通过实验和理论 计算表明电极面电阻率大的电极材料的m r p c ，信号之间的串扰较小，给出了明 确的数值比较。两种电极材料的m r p c 的串扰随甄别阈的减小都增大。进一步研 究结果表明串扰主要来自相邻读出条卜信号之间的相互影响，而电予学线路间 的影响较小。另外电极的面电阻率大，会使感应信号更集中在某个小区域或某 个读出条上，对旁边读出条的信号影响较小，即串扰较小。电极表面电阻率大 的m r p c 的其他基本性能宇宙线测试结果都很好。 为了研究m r p c 的感应信号在长读出条上的分布，以及读出条尺寸的改变 对m r p c 性能的影响，从实验卜给出了时间分辨随读出条位置的变化关系和信号 在长读出条上的传输速度。读出条两端的时问分辨可以达至- 1 l o o p s ，与“标准”尺 - , j 一的m r p c 时间分辨相当。由于信号在读出条卜的反射，在读出条中间部分的时 问分辨变差到约1 3 0 p s ，这是因为反射信号与真信号叠加在一起，叠加后的信号 时间前沿变慢，造成时间分辨变差，在长读出条的信号引出端，因为真信号和反 射信号可以明显的分开，所以时间分辨不受反射信号的影响，在读出条的非信号 引出端，真信号与反射信号在时间上基本相同，信号的叠加不会使信号时间前沿 变慢很多，所以时间分辨也很好。信号在长3 2 0 m m 的读出条上传播时幅度没有衰 减。通过信号在读出条上的传输时间与传输距离的对应关系，计算出信号在读出 条上的传输速度约为5 0 p s c m 。 通过对标准6 气隙m r p c 和双模块结构的实验研究，结果表明它们的时间分辨 和探测效率都可以满足t o f 探测器的物理要求，相比较，) i ) ( 模块结构的m r p c 的 探测效率更高，时间分辨更好，效率坪区更长。 综合对m r _ p c 基本性能的研究，给出一套宇宙线测试m r p c 性能的参考标准： t t 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 气体：q f 4 - 2 i s o c 4 h l o = 9 5 5 环境温度：2 2 士5 0 c 暗电流： 2 h a ； 噪声： 8 0 。 关键词：m r p c ，探测效率，时间分辨，温度效应 i i i a b s t r a c t h i g he n e r g yh e a v yi o nc o l l i s i o np h y s i c si san e wr e s e a r c hf i e l d ，b e g i n n i n gf r o m 19 7 0 s i t sa i mi st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a d r o nm a t t e ru n d e rt h ee x t r e m e h i g ht e r n p e r a t u r ea n dh i g hd e n s i t yc o n d i t i o n sa n ds e a r c hn e wp h a s e sb yc o l l i d i n gt w or e l a t i v i s t i c h e a v yn u c l e i t h i sn o v e lf i e l di so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ou n d e r s t a n db a s i cq u e s t i o n si np a r t i c l ep h y s i c s ，n u c l e a rp h y s i c sa n dc o s m o l o g y t h er e l a t i v i s t i ch e a v yi o nc o l l i d e r ( r h i c ) a tb r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b ( b n l ) c a na c c e l e r a t eg o l dn u c l e it oaf e wh u n d r e dg e v p e r n u c l e o n i ti sd e s i g n e dt os e a r c ht h ep o s s i b l en e wp h a s e q u a r kg l u o n p l a s m a ( q g p ) a n d o t h e rn e wp h y s i c s t h es t a rd e t e c t o ri so n eo ff o u re x p e r i m e n t sa tr h i c t oi m p r o v e t h ep a r t i c l ei d e n t i f i c a t i o nc a p a b i l i t yo fs t a rd e t e c t o r ，af u l lb a r r e lt i m e o f - f l i g h t ( t o f ) d e t e c t o rb a s e do nt h em u l t i g a pr e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ( m r p c ) t e c h n o l o g yi s b e i n g c o n s t r u c t e db yc h i n aa n du si n s t i t u t i o n s m r p ci san e wk i n do f g a sd e t e c t o rw i t hg o o d t i m er e s o l u t i o na n dh i g hd e t e c t i o ne f f i c i e n c y i ti sa l s oc a p a b l et ow o r kw i t ht h ei n c i d e n t r a t eu pt oh u n d r e d so fh z c m 2u n d e rt h ea v a l a n c h em o d e ，w h i c hs a t i s f i e st h er e q u e s to f h i g hm u l t i p l i c i t yd e t e c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ir e p o r tt h ep e r f o r m a n c e so fm r p cf r o mt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t sr e s p e c t i v e l y ：d i f f e r e n tw o r k i n gg a sc o m p o n e n t s ，d i f f e r e n te l e c t r o d em a t e r i a l s ，d i f o f e r e n ts i z e so fr e a d 。o u ts t r i p sa n dd i f f e r e n tm o d u l eg e o m e t r ys t r u c t u r e t h i sm a i ng o a l i st ow e l lu n d e r s t a n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dw o r k i n gc o n d i t i o no fm r p c a l lt h e e x p e r i m e n t sir e p o r tw e r em a d eu s i n gt h ec o s m i cr a yt e s ts y s t e m t h ei m p a c to fw o r k i n gg a sc o n d i t i o no nt h em r p cp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d ，a n d t h ew o r k i n gc o n d i t i o nc h a n g e si n c l u d et h ec h a n g eo fw o r k i n gg a st e m p e r a t u r ea n dg a s c o m p o n e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fg a st e m p e r a t u r e ，t h e d a r kc u r r e n to fm r p cr i s e s ，n o i s er a t er i s e se x p o n e n t i a l l y ，t h ee f f i c i e n c yp l a t e a um o v e s t o w a r d sl o w e rh va n dt h ea v e r a g ei n d u c e dc h a r g ei n c r e a s e s b e c a u s et h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r ew i l ll e a dt ot h ed e c r e a s eo f p r i m a r yi o n i z a t i o nd e n s i t y ，t h em e a nf r e ed i s t a n c e o fe l e c t r o n sb e c o m e sl o n g e r ，a n di o n i z a t i o nc r o s ss e c t i o no fe l e c t r o n si n c r e a s e s t h i s w i l lr e s u l ti nt h ei n c r e a s eo fe f f e c t i v et o w n s e n dc o e f f i c i e n ta n dt h eg a sg a i n h e n c e ， t h em r p cs i g n a la m p l i t u d e ，n o i s er a t e ，d a r kc u r r e n ta n de f f i c i e n c yw i l lg ou p f o rt h e m r p cw o r k i n gw i t h ，a n ds t a b l eg a sp r e s s u r e ，ip r o p o s et oa d j u s tt h em r p cw o r k i n g c o n d i t i o nu s i n gt h ef o r m u l aw i t h i nas m a l lt e m p e r a t u r es c o p e t h ei m p a c to fd i f f e r e n t t v 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 g a sc o m p o n e n t so nt h em r p cp e r f o r m a n c ed e p e n d so nt h eg a si n t r i n s i cp r o p e r t i e s s i n c e t h em e a nf r e ed i s t a n c eo fe l e c t r o n sw i l lb e c o m es h o r t e rw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef r e o n f r a c t i o ni nt h eg a sm i x t u r e ，t h ei n d u c e ds i g n a la m p l i t u d ea n dd e t e c t i o ne f f i c i e n c yw i l l d e c r e a s e w ec a l c u l a t e dt h eg a sp a r a m e t e r sw i t ht h ec h a n g eo fg a st e m p e r a t u r ea n dg a s c o m p o n e n t s t h ei m p a c to fw o r k i n gg a sc o n d i t i o no nt h em r p cp e r f o r m a n c ew a sa l s o s t u d i e st h r o u g hm o n t ec a r l os i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lo n e s f r o mt h i ss t u d y , w ec o n c l u d et h a ts t a b l ew o r k i n gc o n d i t i o ni so fg r e a t i m p o r t a n c et ot h em r p cp e r f o r m a n c e t h ei m p a c to fe l e c t r o d em a t e r i a lo nt h em r p cp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d ，a n dw e c o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c e so ft w om r _ p cm o d u l e sw i t hd i f f e r e n te l e c t r o d es u r f a c er e s i s t i v i t y c r o s st a l kb e t w e e nm r p cr e a d - o u ts t r i p sd u et ot h ef i n i t ee l e c t r o ns u r f a c er e s i s t i v i t yc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ：t h ec o u p l i n go fc a p a c i t a n c e ，t h ef i n i t e s i z eo fi n d u c e ds i g n a l ，c r o s st a l kb e t w e e ne l e c t r o n i c s b o t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sp r o v et h a tt h ec r o s st a l ko nt h em r p cw i t h b i g g e rs u r f a c er e s i t i v i t yi s s m a l l e r t h ec r o s st a l ko nb o t hm r p cm o d u l e si n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo ft h r e s h o l d f u r t h e rs t u d ys h o w st h a tc r o s st a l ki sm a i n l ya t t r i b u t e dt ot h ei m p a c to fi n d u c e ds i g n a l s o nt h en e i g h b o rr e a d o u ts t r i p sr a t h e rt h a nt h a tb e t w e e ne l e c t r o n i c s w ea l s os t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o no fi n d u c es i g n a l so nl o n gr e a d o u ts t r i p sa n dt h e i m p a c to ft h es t r i ps i z eo nt h em r p cp e r f o r m a n c e w h e nt h ei n d u c e ds i g n a lw a sf i r e d n e a rb o t hs i d e so ft h el o n gr e a d o u ts t r i pt h et i m er e s o l u t i o nc a nr e a c hlo o p s ，s i m i l a rt o t h a to fs t a n d a r dm r p c d e s i g n d u et ot h er e f l e c t i o no nr e a d o u ts t r i p s ，t h ef r o n te d g eo f s u m m e d s i g n a lb e c o m e ss p r e a d e r , w h i c hl e a dt oaw o r s et i m er e s o l u t i o n f o rt h el o n gs t r i p d e s i g nm r p c ，s i n c et h ed i r e c ts i g n a lc a nb es e p a r a t e df r o mt h er e f l e c t e ds i g n a lr e a d i l y ， t h et i m er e s o l u t i o ni sn o tl i k e l yt og e tw o r s ei nt h i sc a s e t h ea m p l i t u d eo fi n d u c e d s i g n a l d o e s n td e c r e a s em u c ha f t e rp r o p a g a t i o na l o n gt h es t r i po f3 2 0 m m l e n g t h b ys t u d y i n g t h ed e p e n d e n c eo ft i m ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i r e c ta n dr e f l e c ts i g n a l so nt h eh i tp o s i t i o n ， w ec a nc a l c u l a t et h et r a n s m i s s i o nv e l o c i t yo fi n d u c e ds i g n a l sa l o n gt h er e a d o u ts t r i p si s 5 0p s c m t h es t u d yo nt h ep e r f o r m a n c e s ( t i m er e s o l u t i o na n dd e t e c t i n ge f f i c i e n c ye t c ) o ft h e 6 一g a ps t a n d a r dm r p cm o d u l ea n dt h e2 x 4 一g a pm r p cm o d u l es h o w st h a tb o t hs a t i s f y t h er e q u e s t so ft o fd e t e c t o r t h el a t e rd e s i g n e dm o d u l eh a sab e t t e rd e t e c t i n ge f f i c i e n c y ， t i m er e s o l u t i o na n dal o n g e re f f i c i e n c yp l a t e a u v 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，w ec a ns e tu pas e to fr e f e r e n c ef o rm r p cc o s m i cr a yt e s t g a sm i x t u r e ：5 i s o b u t a n e + 9 5 f r e o n ； a m b i e n tt e m p e r a t u r e ：2 2 士5 0c ： d a r kc u r r e n t ：l e s st h a n2 n a ； n o i s er a t e ：l e s st h a n50 h z p a d ； d e t e c t i v ee f f i c i e n c y ： g r e a t e rt h a n8 0 ： f r a c t i o no fa v a l a n c h es i g n a l s ：g r e a t e rt h a n8 0 k e yw o r d s ：m r p c ，d e t e c t i v ee f f i c i e n c y ，t i m er e s o l u t i o n ，t e m p e r a t u r ee f f e c t v i 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 插图 核物质相变示意图 强相互作用耦合常数乜。实验值 6 随动量传递q 2 的变化 能量密度4 t 4 ( c i r c l e ) 并n n g p t 4 ( s q u r e ) 随温度t 的变化，由混和了 两种轻夸克味的格点q c d 计算得出 三种味道结构的p 丑随温度t 的升高的变化 格点q c d - k l - 算得到的不同温度下重质量夸克势能 快度损失随束流快度的变化关系 b l a s t 一叫o u e 参数丁，0 与速度 的关系图 2 1 r h i c 加速器序列示意图 2 2s t a r 探测器结构示意图 2 3 t p c 音u 面示意图 2 4 介子的横质量谱 2 5s t a r 实验中k 介子关联函数的模拟结果 2 6 不同时间分辨率时s t a r - - t o f 对不同粒子的鉴别能力 2 7 单层6 术0 2 2 m m m r p c 长度方向结构示意图 2 8读出印刷板的示意图 2 9m r p c 的工作原理示意图 2 1 0 测量体电阻和面电阻率装置示意图 2 11 望远镜系统示意图 2 1 23 个光电倍增管符合的示意图 2 1 3 宇宙线测试系统的参考时间分辨 2 1 4 宇宙线测试系统 2 15 测试系统示意图 2 1 6 电子学的时间晃动 2 1 7 宇宙线测试多路读出m r p c 的时间分辨 2 18 雪崩信号的定义示意图 2 1 9 束流测试多路读出m i 心c 的粒子探测效率，时间分辨随工作高压的 变化的结果3 2 x 2 3 4 6 7 8 9 挖 b m m 加 加 n 挖 巧 拍 ” 勰 勰 四 如 ” l 2 3 4 5 6 7 ，lli 1 l 1 l 1 l 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 3 1 温度测试装置简单示意图 3 2 漏电流在固定高压下随温度的变化 3 3 噪声在固定高压下随温度的变化： 3 4 噪声在固定温度( 2 2 0 c ) - v 随高压的变化 3 5 噪声在固定温度( 3 4 0 c ) 下随高压的变化 3 6 效率在两个温度下两种气体中随高压的变化 3 7 效率在两个温度下三种气体中随高压的变化 3 8 效率在两个温度下两种气体中随高压变化的修正 3 9 效率在两个温度下三种气体中随高压变化的修正 3 1 0m r p c 的幅度谱 3 11 没有修正的两种气体中不同温度的幅度谱 3 1 2 经过修正的两种气体中不同温度的幅度谱 3 1 3 没有修正的三种气体中不同温度的幅度谱 3 1 4 经过修正的三种气体中不同温度的幅度谱 3 1 5 束流测试m r p c 工作在不同气体中的效率曲线 3 1 6 束流测试m r p c 工作在不同气体中的时间分辨曲线 3 1 7 宇宙线测试m r p c 工作在不同气体中的时间分辨曲线 3 18r p c 的模型示意图 3 1 9 两个温度下原初电离簇密度与入刺粒子能量的关系 3 2 0 两个温度下平均电子簇大小的分布 3 2 1 两个温度下有效汤生系数随电场的变化 3 2 2 两个温度下电子漂移速度随电场的变化 3 2 3 异丁烷比例改变时平均簇大小分布 3 2 4 异丁烷比例改变时汤生系数随电场的变化 3 2 5 异丁烷比例改变时电子漂移速度随电场的变化 3 2 6 三个温度情况下模拟得到效率随高压的变化 3 2 7 三个温度情况的经过修正的模拟效率与高压的关系 3 2 8 异丁烷比例改变时探测效率和时间分辨的变化 4 1 噪声随j 每压的变化曲线 4 2 雪崩信号比随高压的变化曲线 x i 5 6 5 6 弭 弱 ” 弘 ” 粥 弘 ” 知 知 甜 铊 舵 舵 钙 卯 钾 钙 躯 鹌 的 如 ” 观 弱 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 4 3 效率和时间分辨随高压的变化曲线 4 4 5 个读出条的时间分辨 4 5 1 4 2 5 k v 电压下8 0 m v 甄别闽碳膜室与l i c r o n 电极室的串扰比较 4 6 1 4 2 5 k v 电压下5 0 m v 甄别闽碳膜室与l i c r o n 电极室的串扰比较 4 7 1 4 2 5 k v 电压下3 0 m v 甄别阈碳膜室与l i c r o n 电极室的串扰比较 4 8 1 4 0 k v 电压下8 0 m v 甄别阈碳膜室与l i c r o n 电极室的串扰比较 4 9 1 4 0 k v 电压下5 0 m v 甄别阂碳膜室与l i c r o n 电极室的串扰比较 4 1 0l i c r o n 电极室信号线两种接法时的幅度谱 4 11 碳膜电极室信号线两种接法时的幅度谱 4 1 2 电荷q 在气隙中漂移产生的感应信号 5 1 2 m r p c 的长度方向结构示意图 5 2 2 m r p c 的宽度方向结构示意图 5 3 2 4 m r p c 的时间分辨和探测效率随高压的辩护 5 4 2 4 m r p c 漏电流随高压的变化 5 5 2 4 m r p c 噪声随高压的变化 5 6 2 4 m r p c 雪崩信号比随高压的变化 5 7 单层6 气隙m r p c 的探测效率和时间分辨与电压的关系 6 1 长读出条的示意图一 6 2 1 3 5 尼y 电压下经过时间一幅度修正后的时间谱 6 3 1 3 8 后y 电压下经过时间一幅度修正后的时间谱 6 4 1 4 0 忌y 高压下经过时间一幅度修正后的时间谱 6 5 标准室和长读出条室的相对位置示意图 6 67 0 m y 下长读出条室的时间分辨随位置的变化关系 6 7 7 0 m v 下长读出条室的t d c 随位置的变化 6 85 0 m v 下长读出条室的时间分辨随位置的变化 6 9 不同甄别阈下真信号的t d c 时间分辨随位置的变化的比较 6 1 07 0 m v 甄别阈下幅度随位置的变化。 6 117 0 m v 时信号在长读出条上的传输速度 6 1 25 0 m v 刚信号在长读出条上的传输速度 x t t 卯 卯 鳃 趵 印 甜 以 舛 卯 卯 锯 锯 的 仍 仍 m 乃 鸺 他 引 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 6 1 3 束流测试一信号在读出条上的传播速度 7 1 s t a r 冷凝装置 8 l 8 4 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 表格 2 1 在不同的t o f 时f n 分辨情况下s t a r 探测器能够鉴别7 r ，k 的动量范围1 8 2 2 在不同的t o f 时间分辨情况下s t a r 探测器能够鉴别p ，k 的动量范围1 8 3 1 噪声和漏电流的拟合参数3 4 4 1喷漆电极的而电阻率5 5 4 2 l i c r o n 电极室经过“单”“双”触发后的c r o s s t a l k 5 8 4 3 碳膜电极室经过“单”“双”触发后的c r o s s t a l k 6 0 6 1 长读出条室在三个高压下的测试结果7 2 6 2 7 0 m v 单纯用望远镜触发的长读出条室的性能 7 5 6 37 0 m v 经过望远镜和标准室双重触发的长读出条室的时间随位置的 变化 7 5 6 4 5 0 m v 单纯用望远镜触发的长读出条室的性能 7 7 6 55 0 m v 经过望远镜和标准室双重触发的长读出条室的时间随位置的 变化 7 7 6 6 标准室的时间分辨 8 2 x i v 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 第一章引言 1 1 引言一量子色动力学和相对论重离子碰撞 相对论重离子物理的主要目的是获得与核物质相关的核子、强子和部分子物 质的状态方程。这就涉及多个学科领域，包括核物理、空间物理、宇宙学和粒子 物理。图1 1 是核物质相变的示意图，图中核物质随温度和密度( 或压强) 的变 化由其状态方程决定。图的右上角部分是夸克胶子等离子体( q g p ) 区域，低温低 密度区的核物质若要跨过相变区域到达q g p 区，实验上希望能通过高能重离子对 撞实现。高能重离子对撞可以让非常大的能量在极短的时间内聚集在非常小的空 间区域内，在此区域有可能形成高温高密度的新的核物质，目前美国布鲁克海文 国家实验室( b n l ) 的重离子对撞进行的就是对此区域的研究。夸克一胶子等离 子体 1 是夸克和胶子禁闭解除的状态，它的形成是高能相对论重离子对撞实验 的焦点。为此，布鲁克海汶国家实验窒的相对论重离子对撞机( r h i c ) 2 及其相 关实验已经建造并于1 9 9 9 年开始运行。根据大爆炸理论的预测，在最初的爆炸后 约1 0 微秒时发生夸克一强予相变，此时宇宙的温度约为1 5 0 - - 2 0 0 m e v ，这和从强 子物质到夸克一胶子等离子体的相变是相同的，但方向相反。在宇宙学中同样受 关注的还有普遍核合成和在夸克一强子相变时可能存在的起伏效应。相变图中高 重子密度、极低温度的区域对星体演化的各种现象是很重要的，核物质的状态方 程决定了中子星塌缩和超新星爆发的动力学。利用相对论重离子碰撞也可以研究 量子色动力学( q c d ) 3 的微扰真空，以期更好地了解对称性破缺机制和粒子质量 的起源。理论预言q c d 真空具有由夸克一反夸克“海”( q u a r k a n t i q u a r kc o n d e n s a t e s e a ) 构成的复杂的内部结构，“海”拥有能量和质量，在其零点附近波动；而 孤立的夸克是不存在的。在低能量密度处，夸克和反夸克被禁闭在强子( 重子和 介子) 中，这时真空起着色介质的作用：而在高能重离子对撞的高温下，海( 夸 克一反夸克) 凝聚将会熔解，强子分解为自由的传播夸克和胶子，真空成为色的 导体( 即真正的微扰q c d 真空) ，这就是夸克一胶子等离子态。同时，伴随q g p ；f e 变，另一相变一手征对称性恢复一也将发生。下面对q c d 矛i ：i 重离子碰撞简单叙述 一下，以利于更好地理解高能量密度( 高温和或高重子密度) 下的物质相变及质 量和对称性破缺。 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 1 2q c d e a r l y u n i v e r s e e b a 墨受奠涵g 曩妇a 斌n 咄曩cm a i l 璺 b a r y o nd e n s i t yp ，p o 图1 1核物质相变示意图 量子色动力学( q c d ) 形成于1 9 世纪7 0 年代，用来描述夸克和胶子的色核强相 互作用。q c d 芹d 电弱理论一起组成标准模型( s m ) ，能够描述除重力之外的所有相 互作用，是非常成功的一个理论模型。一般来讲，q c d 属于非微扰规范理论，能 够通过格点q c d 计算方法得到。q c d 理论有两个显著的特点 4 ：在远距离或小 动量传递时，强相互作用耦合常数。很大，夸克被禁闭在无色强子中；而在近距 离或大动量传递时，耦合常数变小，成为渐近自由区。强相互作用耦合常数的测 量验证了这种特点，如图1 2 所示。 o c d 热动力学的计算可以通过对q c d j 墨! 力学变量在格点上进行非微扰数值计 算实现。图1 3 给出了含两种轻味夸克的计算结果 5 ，在大约1 5 0 m e v 的温度下， 禁闭态( 强子物质) 将发生相变成为禁闭解除( 夸克胶子等离子体) 。 能量密度e 随温度变化产生的相变非常陡峭，相反，压强p 的相变就缓慢得 多。对于有限大小的网格，这是一个弱的一阶相变，或者说是阶相变。在相变 温度区间，熵密度会突然上升。含两种以上味道的夸克的格点q c d 计算给出的是 拗卜 3 僦 懒 弱 o 9虬邑譬nl罡整gm卜 2 0 0 6 年中国科学技术大学博士学位论文 一阶相变。 o 5 d ( q ) o 4 o 3 0 2 o 1 o 图1 2 强相互作用耦合常数a 。实验值 6 随动量传递q 2 的变化 1 3 手征对称性 夸克的流质量取决于它与作为探针的夸克或反夸克之间的距离。组分夸克包 裹在夸克一反夸克对和胶子构成的“云”中。由于核子由三个非相对论组分夸克 构成，因而组分夸克的质量近似为核予质量的三分之一，约3 0 0 m e v 。夸克之间 距离越短，其质量越轻，因为在小距离时相互作用减弱了，所以在渐近自由区， 夸克的质量接近于零。此时上夸克质量的最佳估计值在5 m e v 左右，下夸克质量 约7 m e v 。如果轻夸克的质量确实为零的话，则夸克及其构成的粒子将获得另对 称性一螺旋性。 无质量的粒子具有确定的螺旋性，它定义为该粒子自旋在其动量方向上的投