高能核子-核子碰撞中末态粒子分布.doc

本科毕业论文 设计 题目 高能核子 核子碰撞中末态粒子分布 姓 名 汪泽君学号 20071004486 院 系 数学与物理学院 专业 物理学 指导教师 职称 评 阅 人 职称 2011 年 6 月 本科生毕业论文 设计 原创性声明本科生毕业论文 设计 原创性声明 本人以信誉声明 所呈交的毕业论文 设计 是在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 论文中引用他人的文献 数据 图件 资料均已明确 标注出 论文中的结论和结果为本人独立完成 不包含他人成果及为获得中国 地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 毕业论文作者 签字 签字日期 年 月 日 摘摘 要要 探索物质微观结构和质量起源 是物理学研究的前沿领域 高能重离子碰撞是20世纪70 年代兴起的一个新的研究领域 碰撞由大量的核子 核子碰撞组成 核子 核子碰撞会产生大 量的粒子 通过这些大量产生粒子的整体运动特征的研究 可以帮助我们认识核 核碰撞和 物质更深层次的性质和特性 对于粒子物理 核物理和有关宇宙形成及演化都有非常重要的 研究意义 本文内容分为四个章节 第1章引言部分首先介绍物质的微观结构 夸克模型 夸克的特殊行为 然后介绍新的 物质态QGP和高能重离子实验中QGP的产生可能性 最后介绍高能核子 核子碰撞的一些特征 第二章核子 核子碰撞模型PYTHIA和相关物理量的介绍部分介绍本文用的主要模型 PYTHIA 快度 横动量 赝快度等基本物理量 第三章高能核子 核子碰撞中末态粒子分布是本文的主要内容 主要利用PYTHIA模型作 出p p碰撞的快度分布 横动量分布和角分布 并加以分析 第四章总结和展望部分对本文做一小结 关键词 夸克 夸克 胶子等离子体 核子 核子碰撞 PYTHIA 模型 快度 赝快度 横动量 ABSTRACT Explore substance microstructure and quality origin is the frontiers of physics field High energy heavy ion collisions in the 1970s is a new research field up by large collision of nuclear nuclear collision nuclear nuclear collision of particles produced by these lucrative particles the overall dynamic features of research can help us recognize nuclear nuclear collision and material deeper properties and characteristics for particle physics nuclear physics and the formation and evolution of the universe has very important research significance The article content is divided into four sections Preface part first introduces physical microstructure and quark model quarks special behavior Then introduce new material state QGP and high energy heavy ion experiments QGP production possibilities Finally introduce high energy nuclear nuclear collision peculiarities The second chapter nuclear nuclear collision model introduced PYTHIA and related parameters of the main part in this article with model introduced the PYTHIA quick degree and maxillofacial momentum basic physical quantities quickly degrees The third chapter high energy collision nuclear nuclear particle distribution is normal at the end of the main content of this article The main use PYTHIA model make p p collision of quick degrees distribution horizontal momentum distribution and angular distribution and analyzed The fourth chapter summary and outlook of this paper make a summary part KeyKey Words Words Quarks QGP nuclear nuclear collision PYTHIA model Quick degrees constraint fast degrees the horizontal momentum 目 录 第一章 引言 5 1 1 夸克模型 5 1 1 1 基本粒子不基本 5 1 1 2 夸克模型 6 1 1 3 渐近自由和夸克禁闭 8 1 2 高能重离子碰撞 10 1 2 1 QCD 预言 10 1 2 2 高能重离子碰撞 11 1 2 3 高能核子 核子碰撞 13 第二章 核子 核子碰撞模型 PYTHIA 和相关物理量的介绍 16 2 1 核子 核子碰撞模型 PYTHIA 16 2 2 相关物理量的介绍 17 2 2 1 快度 赝快度 18 2 2 2 横动量 20 第三章 高能核子 核子碰撞中的末态粒子分布 22 3 1 快度分布 22 3 2 横动量分布 23 3 2 轴向角分布 24 第四章 总结和展望 25 4 1 总结和展望 25 致 谢 27 参考文献 28 第一章 引言 1 1 夸克模型 1 1 1 基本粒子 探索物质微观结构和基本作用力的性质 是科学研究的重要领域 19 世纪初 英国化 学家道尔顿实验证明了原子的真实存在 原子作为物质不可分割的最小单元 但是 19 世纪 末的一系列实验让原子不可分割的观念发生动摇 1895 年 伦琴发现 X 射线 1896 年 贝克 勒尔发现原子放射性 1897 年 汤姆孙发现电子 1898 年 卢瑟福发现 和 射线 1910 年前后 卢瑟福设计了著名的 粒子散射实验 建立了原子的有核模型 电子在原子核外 受 光子作为力的传播载体的电磁作用力约束 形成原子 1932 年 查德威克发现中子 人们才认 识到原子核是由质子和中子构成的 1968 年以后 由于有了更高能量的粒子加速器 人们开始进行电子非弹性散射实验 把 电子打入核子内部深处 实验测到了很大的电子动量转移和散射角 似乎电子在核子内部遇上 类似点状的硬颗粒 这些硬颗粒有带电和不带电的 被粒子物理学家起名为部分子 15 它们在核内准自由地运动着 见图 1 1 1 图 1 1 1 物质结构的模型 原子的有核模型 原子核的核子模型 核子的夸克模型 20世纪50年代初 物质结构的基本粒子图像似乎很美妙 质子和中子由核力束缚 组成原 子核 传递核力的是 介子 电子和原子核由电磁力束缚 组成原子 传递电磁力的是光子 然而随着加速器能量的增加和探测技术的提高 与质子 中子和 介子类似的参与强作用的 粒子愈来愈多地被发现 使被称为强子的基本粒子的总数迅速上升到200多种 难道它们都是 基本的吗 1 1 2 夸克模型 1869年 门捷列夫面对杂乱无章的几十种化学元素 按重量和化学性质分类排队 发现元 素周期表 奠定了研究原子结构的基础 100 年后 1961年 盖尔曼研究发现了强子的 周 期表 即 八重态法 的点阵模型 见图1 1 2 根据对称性 他预言点阵的最下面还有一 个质量和电荷都可给出的未知粒子 后被取名为 1964年 在美国的布鲁克海汶实 验室被发现 盖尔曼因此获得了当年的诺贝尔物理学奖 图1 1 2 强子结构的八重态点阵模型 八重态法预示 强子有更深层次的结构 盖尔曼发现 强子可以由非常古怪的3种带电的 基础粒子构成 电荷是基本电荷的1 3或2 3 可从来没有见过 盖尔曼给这3种基础粒子取 了一个带幽默的名字 夸克 他说 即使夸克真是具有有限质量的物理粒子 也 无法推测它的行为方式 因为 它们被永久地禁闭在强子内部 在夸克模型中 介子由一对正反夸克组成 重子由3个单夸克组成 强子在相互作用中的 产生 湮灭和转化 都可归结为夸克的产生 湮灭 转化和重新组合 这种模型的奇妙之处 还在于模型所不允许的组合 在实验中也没有发现所对应的粒子 然而有些强子由3个相同夸 克组成 违反量子力学中的泡利不相容原理 为了解决夸克模型的这一矛盾 格林伯格假设 夸克还有一个被称为 色荷 的内部自由度 夸克的色荷有红 蓝 绿3种类型 反夸克则有 反红 反蓝 反绿3种 如同带负电的电子与带正电的原子核组成不带电的稳定原子一样 带 色荷的夸克与带反色荷的反夸克组成的介子 带不同色荷的3个单色夸克叠加而成的重子 都 是无色的 早期的夸克学说主张有3种夸克 分别称为上夸克u 下夸克d和奇异夸克s 由它们组成 强子 这种分类 被物理学家称之为 味 然而要解释电荷宇称不守恒和某些重子的 衰变 的差异时 表明存在第4种味的夸克 1973年 丁肇中和里希特的实验几乎同时发现了后来被 称为J 的新粒子 它是第4种味 粲夸克c 的束缚态 他们因此分获1976年诺贝尔物理学 奖 以后 里德曼等人于1977年找到第5种味 底夸b 存在的证据 美国费米实验室的实验组于 1994年又找到第6种被称为顶夸克t存在的证据 6种味的夸克 u d s c b t 它们和 6种轻子 电子 子 子及其相应的3种中微子 规范粒子 1个传播电磁作用力的光子 3个传递控制夸克轻子衰变的弱作用力的中间玻色子和8个传递强作用力的胶子 一起组成了 粒子物理世界 见图1 1 3 图 1 1 3 粒子物理世界 夸克有上夸克u 下夸克d 奇异夸克s 粲夸克c 底夸克b 顶夸克t 轻 子子有电子 子 子及其相应的3种中微子 力的载体有传播电磁作用力的光子 3个传递控 制夸克轻子衰变的弱作用力的中间玻色子和8 个传递强作用力的胶子 电磁场的麦克斯韦方程的量子化是量子电动力学 QED 量子电动力学研究电子和光子 的量子碰撞 仿照关于电磁力的量子电动力学 可以建立一种关于强力的量子色动力 QCD 仿照这一理论 夸克之间的强相互作用是由夸克带有的色荷所形成的色场来传递的 色场的 量子被称为 胶子 胶子不带电荷 但带有色荷 包括由红 蓝 绿三种色荷组成的8种类 型 强子之间的相互作用 例如核力 可以看作是夸克之间的强作用的剩余力 正像分子力是 原子内电磁作用的剩余力一样 量子色动力学研究夸克和胶子的量子碰撞 在QED理论中 电 子之间的电磁作用是交换光子 光子只有一种 本身不带电荷 1个光子不能变成2个光子 而 QCD 理论中 夸克之间的强作用是交换胶子 胶子有8种 本身带有色荷 因此还能产生胶子 胶 子可以有3个或4个在一起的作用 所以两夸克之间的胶子1个可变成2个 3个 多个 距离远 时胶子就更多 作用力就更大 胶子场比光子场复杂 因而出现了许多不同寻常的现象和性质 其 中最重要的恐怕要数 渐近自由 和 夸克禁闭 了 量子色动力学和弱电统一理论 构成粒子物理 标准模型 理论的全部内容 1 1 3 渐进自由与夸克禁闭 电子对核子的 深度非弹性散射 实验 使夸克从 假设 变成 事实 然而实验的 另一项结论 对于理论物理学家来说却是一大难题 夸克之间的色荷作用力与它们之间距离的 关系 与服从库仑定律的电荷作用力相反 距离近的时候好像没有作用力 距离远时作用力反 而变大了 而且愈远作用力愈大 荷 这个耦合参数通常被用来描述作用力的大小 粒子间作用的强度以它们所带的荷 来标度 荷越大 强度就越强 电磁力的荷是电荷 它是电磁相互作用强度指标 在量子色动 力学中 色荷是强相互作用的强度指标 而作为规范场粒子的胶子还具有自相互作用 即胶子 与胶子之间的相互作用 由于在这个理论中 荷的可重整化性表现为反常的 真空反屏蔽效 应 即夸克与周围真空的相互作用 导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布 最 终效果使夸克色荷变大 从离夸克较近的距离上来看 远距离的夸克比它带的色荷多 所以近 距离的强作用相对而言变弱了 这就是 渐近自由 渐近自由是非常奇特的性质 一般的场 论没有这种性质 杨 密尔斯场是唯一的例外 恰好可以用来解决长久以来令人困惑的强子结 构之谜 因此 杨 米尔斯非对易规范场在现代物理学理论中占有特殊地位 渐近自由使量 子色动力学的微扰理论计算在高能和近距离情况下的研究相当有效 所以通常的文献常称其 为微扰量子色动力学 pQCD 但是 在低能和远距离情况下 由于耦合常数变强而出现禁闭力 微扰方法已不适用 计算 变得不可能 成为量子色动力学的巨大难题 夸克禁闭 指的是夸克无法从强子中逃逸出 去 红蓝绿三色夸克组成无色的强子态 一旦夸克可以从强子中跑出来 自然界就会存在带 色的粒子 带色的粒子又引起真空的进一步极化 由于色荷之间的禁闭势能很大 整个真空都 带上了颜色 能量越来越高 最终导致真空爆炸 当然 这种情形实际上并没有发生 暗示自 然界其实不存在游离的夸克 图1 1 4 夸克禁闭 夸克为什么会被禁闭 理论物理学家提出一些模型 譬如 口袋模型 认为强子是一只受 真空挤压的口袋 可将夸克装住而逃不出来 弦模型认为强子内的夸克被绑在弦两端 弦拉长 时很难断裂 一旦断裂 断裂处生成一对正反夸克 使原来的一个强子碎裂为2个新强子 而夸 克仍不可能自由出现 此外 还有线性禁闭势模型 真空色电极化模型 磁单极凝聚禁闭模 型等 见图1 1 4 尽管现有的理论和实验 对强作用力已有深入了解 却仍有2 个重大的问题 一是夸克禁 闭的机制 二是质量产生的机制 此外 核子由3个夸克组成 它们的质量之和却只占核子质量 的百分之一 核子的另外90 以上的质量从哪儿来 是否夸克禁闭的机制与质量产生的机制 也有关 夸克禁闭的根本原因到底是什么 夸克禁闭是永久的还是暂时的 在什么环境下夸 克可能解除禁闭 极端高压 极端高温 这些已成为21世纪人类面临的重大科学问题之一 见 图1 1 5 图1 1 5 上 极端高压和高温下解除禁闭的夸克 胶子等离子体 下 理论给出的核物质相变图 1 2 高能重离子碰撞 1 2 1 QCD 预言 在量子物理中 粒子间越近的距离 对应着能量越高的碰撞 因此 QCD的渐近自由只有在 超高温 超高密的环境中才会表现 量子色动力学 Quantum Chromo Dynamics 简称Q CD 预言 在高温或高密极端条件下 有可能产生退禁闭的夸克胶子等离 Quark Gluon Plasma 简称QGP 也称夸克物质 QGP 有可能在系统碰撞后的极短瞬间存在 然后系统 迅速膨胀并冷却到QCD 相 最后演化成实验上观测到的末态粒子 遵循QCD 理论 带色荷的夸克和胶子被牢牢地禁闭在强子内 不能自由存在 形成色中 性的系统 这就是夸克禁闭 一般称之为色禁闭 但在高温或高密的极端条件下 夸克从强 子相退禁闭到QGP相 即发生QCD 相变并形成QGP 物质态 如图1 2 1的QCD 相图所示 图 1 2 1表明温度或密度足够高的条件下 有可能出现理论上预言的QGP 物质态 图1 2 1 温度 重子密度平面上的QCD 相图 1 2 2 高能重离子碰撞物理中QGP的产生 高能重离子碰撞的主要研究目的是什么 为了回答这个问题 首先注意到的是高能重离 子碰撞的主要特征 在非常短的时间内 在一个很小的范围内产生巨大的能量 例如在美国 布鲁克海文国家实验室 BNL 建造的第一台相对论重离子对撞机 RHIC 使被加速的原子 核的每个核子得到 100GeV 的能量 对应每个核的能量 100 197GeV 即 19 7TeV 对撞机的 质心系能量 s 为 2 1 97 38 4TeV 高能重离子碰撞实验确实能够产生巨大的能量 RHIC 实验的一个主要目的是在极端高温的高密的环境中寻找夸克 胶子等离子体 QGP 它对应 为夸克和胶子被解除了禁闭 发生了由图 1 2 3 显示的从核物质 强子到夸克物质相变图 最近的 RHIC 实验结果观察到 夸克喷注淬火 也即是在 QGP 中部分子能量损失现象 给出 了在 RHIC 能区可能有 QGP 产生 大量的实验数据分析能证明QGP物质存在的一些重要的实验证据有 1 1 碰撞初态能量密度碰撞初态能量密度 理论预言 只有核核碰撞的能量密度远大于强子内的能量密度 时 才有可能产生QGP 因此 测量相对论重离子碰撞的初始能量密度对于QGP的研究具有 重要意义 在高能核核碰撞中 由于入射束流速度接近光速 因此在纵向有很显著的洛仑兹收缩效 应 两个核可以由两个薄圆盘来表示 这样 在两个核中核子 核子的初次碰撞几乎同时发 生 并且其空间距离很近 因此 随着碰撞的重子物质在碰撞后相互离去 如果他们没有因 为碰撞而停止的话 大量的能量在短时间内被沉积在一个小的空间区域里 在这个区域里 能量非常高 可以达到几个GeV f的量级 这样的能量密度要高于平衡态下核物质的能 3 m 量密度的量级 RHIC能区产生的热密物质的能量密度远大于一般核物质的能量密度 在这么 高的能量密度下QGP极有可能生成 研究在高能量密度和高温的极端条件下的新物质形态是 高能重离子碰撞的重要目的 2 2 热密物质中部分子能量的损失 热密物质中部分子能量的损失 量子色动力学 QCD 预言 RHIC 能区高横动量的粒 子 pt 5GeV c 主要产生于初始碰撞的硬再散射过程 高pt的粒子穿过致密热物质时会损失 能量 因此被认为是研究新物质形态的一个很好的探针 实验上 我们观察到了高横动量粒 子产额压低的现象 高能核核碰撞中 高横动量的粒子产额压低现象 是夸克自由度存在的 另一个实验证据 3 3 非中心碰撞的集体效应 非中心碰撞的集体效应 在非中心碰撞中 核核碰撞重叠区形成非对称的杏仁状 长 短轴方向存在压力梯度差 促使坐标空间的各向异性转变为动量空间的各向异性 从而 产生各向异性椭圆流 由此可见 椭圆流的研究可以间接反映相对论重离子碰撞初态的物理 信息 能帮助我们更好的理解碰撞过程中的产生的新物质形态的性质 实验结果测得 低横动量区间末态粒子的椭圆流随着横动量的变化单调增加 在相同的 横动量情况下 椭圆流与粒子的质量成反比 粒子的质量越小 相应的集体流行为越强 所 有这些都与理想流体力学模型计算的结果吻合 由此人们推测 RHIC能区的新物质形态是一 种 完美流体 RHIC还发现 中横动量区间椭圆流v2具有 组分夸克 标度不变性 这说明在 强子化之前 物质已经解禁闭 即在相对论重离子碰撞实验中发现了夸克自由度 1 2 3 高能核子 核子碰撞 p pp p 中的中的 QGPQGP 为了获得更高的质心系能量 CERN 欧洲核子研究中心 建造了大型强子对撞机 LHC 它可将重离子加速到每核子质心系能量大约为 14TeV 在这样的高能下 核子 核 子碰撞实验中也可能产生 QGP 核 核碰撞是由大量的核子 核子碰撞组成的 但是核子 核子碰撞又不同于核 核碰撞 我们来看高能核子 核子的非弹性碰撞 核子 核子非弹性碰撞的截面积占了总反应截面的主 要部分 两个碰撞的核子平均要损失相当大的一部分 大约一半 的能量 这些核子损失的 能量沉积在质心附近 后来被产生的 介子和其他介子带走 在核 核中心碰撞中 有很多 这样的核子 核子非弹性碰撞 就沉积在质心附近的能量而言 定性的说 核 核反应中的诸 多核子 核子非弹性碰撞的影响大致上具有可加性 也就是说 核子 核子非弹性碰撞越多 沉积在质心附近的能量就越大 高能核子高能核子 核子碰撞的特征核子碰撞的特征 当质心系能量在 3GeV S 100GeV 范围内时 核子 核子的总截面为 40mb 对总截面 有贡献的反应包括 没有能量损失的弹性散射过程和有能量损失的非弹性过程 对质心系能量 3GeV S 100GeV 的核子 核子碰撞 非弹性截面 in 为 30mb 例如实 验室动量为 100GeV c 的 p p 非弹性截面 因此 非弹性碰撞截面比弹性碰 撞截面大得多 高能核子 核子碰撞的一个重要性质就是碰撞核子损失能量的概率非常大 这些核子损 失能量转化为粒子产生 因此粒子产生是非弹性反应过程的特征 在非弹性碰撞过程中 存在衍射分解过程 在这个过程中 一个核子可以视为一个吸收 区 不同碰撞参数的衍射振幅相干涉产生向前或向后的衍射 一个核子经过这样的散射后 将轻微的受到激发并损失较小部分的能量 在非弹性碰撞过程中 有衍射非弹性碰撞和非衍射非弹性碰撞 在衍射非弹性碰撞 核 子轻微受到激发 损失较小部分的能量 在这种碰撞过程中仅有少量粒子产生 对于非衍射 分解过程 它的主要特征是 碰撞的核子将损失其大部分的动能 产生大量的粒子 比较这 两种碰撞 衍射非弹性碰撞只占 10 90 是非衍射过程 我们只关注非衍射的非弹性碰撞 过程 核子 核子碰撞产生粒子 80 90 是 介子 其余是 K 介子 重子 反重子和其他粒子 在一次碰撞中产生的总粒子叫做碰撞多重数 许多高能物理探测器只对电离的粒子敏感 所 以只有带电的粒子能被探测到 碰撞中产生的带电粒子总数称之为带电粒子多重数 在强子 强子碰撞中 在入射粒子和靶粒子碎裂区经常会出现与碰撞粒子很相似的粒子 这些粒子往往携带相当大部分碰撞质心系的能量 在这样的碎裂区中与碰撞粒子相似的粒子 被称为领头粒子 在碎裂区出现领头粒子的现象叫做领头粒子效应 质子 质子 p p 碰撞与 e e 湮灭不同 e e 湮灭中没有领头粒子效应 而 p p 碰撞 只有大约只有一半的质心系能量用于产生粒子 因此 p p 碰撞产生的带电粒子的多重数要 比同质心系能量的 e e 碰撞的相应多重数低一些 在产生的粒子当中 软 粒子是指横动量 PT远小于 1GeV c 的粒子 硬 粒子是指横 向动量 PT远大于 1GeV 的粒子 这两种粒子的产生机制是不同的 软粒子的产生属于非微扰 QCD 范围 而硬粒子的产生可以由微扰 QCD 来描述 在强子碰撞过程中 软过程是重要过程 它比硬过程概率大 然而由于非微扰 QCD 动力学研究中的困难 对软强子产生只能进行唯象 和定性研究 由于靶粒子碎裂过程和入射粒子碎裂过程是一样的 我们将集中注意力于入射粒子碎裂 反应 并且将 x 简写为 x 在重子 重子碰撞中 入射重子将损失相当一部分光锥动量变为 领头重子 碰撞的非弹性程度可由向前光锥变量 x 描述 x 定义为所探测到的领头重子 向 前 光锥动量与入射的原重子的光锥动量的比值 因此 在核子 核子的非弹性碰撞中 由于重子数字守恒 在产生的强子中至少有两个 重子 一个重子会出现在入射粒子碎裂区 另一个会出现在靶粒子碎裂区 在这两个区域中 发现的重子是领头粒子 如果把领头的重子看作是相应的重子碰撞 就可以把非弹性碰撞看 作是两个高能重子经过碰撞而损失他们的光锥动量 并转移为带电粒子的过程 在 p p 非弹性碰撞中 产生的重子大约为原光锥动量的一半 这表明大约有一半原重子 的光锥动量被损失掉了 入射质子的平均快度损失为 1 个单位的快度 在核 核碰撞中 一 个核中的核子经历了与其他核子的多次碰撞 在这样一个多重碰撞中 入射重子的能量和动 量损失非常大 以至于重子停在质心系 由于系统的总能量守恒 所以粒子的产生和重子损失的能量是密切相关的 事实上 重 子损失的能量越多 产生的粒子就越多 第二章 核子 核子碰撞模型 PYTHIA 和相关物理量的介绍 2 1 核子 核子碰撞模型 PYTHIA PYTHIA 是模拟核子 核子碰撞的唯象模型之一 它能很好地描述大量的核子 核子碰 撞的实验结果 本节将综述地介绍PYTHIA 模型中一些主要的物理动力学机制 图2 1 1 PYTHIA模型中核子 核子碰撞的物理过程示意图 我们将按着碰撞过程的时间演化顺序 给出PYTHIA模型是如何模拟高能核子 核子碰撞 事件 主要的物理过程分为以下几个阶段 示意图见2 1 1 1 初始过程 两核子相向运动 每个核子都由一组部分子分布函数描述 假定一个 碰撞过程ij k 散射截面可以表述为 2 1 其中 为部分子碰撞硬过程的散射截面 a i fx 即为部分子分布函数 它表述的是在入 射粒子a中找到部分子i的概率 x描述的是部分子i所占粒子a的动量的分支比 2 硬碰撞过程 核子中的部分子会产生一系列的分支 比如 q qg g gg等 从 而形成了初始状态的 shower 两个核子 即两 shower 相向运动过程中 部分子之间会产 生硬碰撞 从而生成新的部分子 比如 qg qg 这个过程很重要 它很大程度上决定这个 碰撞事件的性质 3 半硬过程 两核子中未参加硬过程碰撞的部分子 或者说剩余下来的部分子会有个 半硬碰撞 它们的内部结构会发生变化 在碰撞过程中会重新组合为无色中性粒子 4 强子化过程 硬过程中产生的新的部分子 通过弦碎裂强子化机制 最终生成末态 无色的中性强子 我们简单描述一下弦碎裂的机制 假定q和q相互远离 存储在弦中的势 能逐渐增加 从而导致弦断裂而产生新的夸克对q q 由此系统被碎裂为两个色单态系 统qq 和 q q 如果这两子弦的不变质量足够大 则断裂就会继续发生 当小段弦中 一 边是夸克 一边是反夸克 并且质量刚好对应着某些粒子 则弦断裂终止 5 衰变过程 以上过程产生的大量强子都是不稳定的 寿命极短 产生不久就会衰变 为末态稳定的粒子 衰变产生也是通过相空间进行分布的 比如 不同的衰变道 还有粒子 的分支比等 2 1 相关物理量的介绍 在相对论重离子碰撞和其它的一些高能碰撞过程中 所选的动力学变量一般具有洛仑兹 变换不变性 并且选用自然单位制这样 相关物理分析起来会比较方便 2 2 1 快度 快度定义快度定义 假定E 和pz 为某一粒子的能量和纵动量 则 2 1 称为这一粒子的快度 在沿着纵向 束流入射方向 进行洛仑兹变换时 所有的粒子的快度只需要简单地加上一 个常数 这就是为什么用快度变量代替纵动量的原因 洛伦兹变换的快度描写洛伦兹变换的快度描写 对于两平行运动惯性系之间的时空关系由洛伦兹变换给出 x x t y y 2 2 z z t t x 为了方便 可以用快度 y 代替 来描写洛伦兹变换 y y 2 1 sinh y e e 2 1 2 3 y y 2 11 cosh y e e 2 1 可以看到 这样定义的 y 是与 一一对应的 如下所示 1 0 1 y 0 或用矩阵写出 x cosh y 0 0 sinh y x y 0 1 0 0 y z 0 0 1 0 z 2 4 t sinh y 0 0 cosh y t 下面来讨论速度和成问题 设 s 坐标系相对于 s 系以速度 沿 x 方向运动 s 系相对于 s 系以速度 沿 x 方向运动 则根据相对论速度相加公式 s 系相对于 s 系速度 为 1 2 5 对应 tanh y 所以式 3 4 变为 tanh y tanh y tanh y tanh y 1 tanh y tanh y y 2 6 由此可得 y y y 2 7 快度在洛伦兹变换下可以简单的相加 这样就给计算带来了很大方便 近年来 在研究 高能碰撞的多粒子产生时 常利用快度分布来代替速度进行理论分析和计算 赝快度赝快度 一般而言 末态粒子绝大多数都是 介子 其质量m 0 14GeV c 相比较高能碰撞的 末态粒子的动量p 几乎可以忽略不计 相应的质壳关系式可简化为 2 8 定义 为末态粒子动量p 与入射束流z 方向上的夹角 则有 2 9 将以上两个公式带入 2 6 可以得到 2 10 定义赝快度为 2 11 赝快度分量可以表示为 1 z ln 2 Pz PP P 2 12 式中 Pz 为 z 轴选为入射轴方向 222 xyz P PpP 由式 2 16 可以看出 当粒子动量 很大时 P E 赝快度 y 通常可以用下面方程来描述两者的区别 2 13 2 2 2 横动量 我们定义z轴为粒子束流的入射方向 末态粒子的横动量为 2 14 其中 px 和py 是粒子在横平面x 和y 方向的动量 在洛仑兹变化下均不会发生变化 因此 横动量pt 也是一个洛仑兹不变量 对于质量为m 的粒子 定义 2 15 为粒子的横质量 对应的横能量为 粒子在横平面上的方位角被定义为 2 16 其中Py和Px分别为y方向和x方向上的动量 第三章 高能核子 核子碰撞中的 末态粒子分布 3 1 p p 碰撞中的快度分布 我们利用 PYTHIA 模型来模拟 200GeV 下 p p 碰撞的 10 万事例 p p 碰撞中的快度分 布如图 3 1 1 利用 PHTY2A 模型产生的带电粒子的快度分布与 CERN NA22 实验研究结果的数据吻合的 非常好 如图 3 1 1 快度区间分为三个区 y 1 的区间称为中心快度区 2 y 小于 3 的区间为中间快度区 4 y 小于 5 的区间为边缘快度区 图 3 1 1 p p 碰撞中的快度分布 分析图 3 1 1 的分布 1 随着 y 的增加 dN dy 下降 并且整个分布呈现出以 y 0 轴为中心轴的近似对称 分布 2 在中心快度区分布呈现一个平台 随着束流能量增大平台变宽 在试验中 一般 分析中心快度区为主 从快度分布可以分析原碰撞系统的原初总能量 也可以分析粒子在快度相空间的 bin bin 关联 3 2 p p 碰撞中的横动量分布 横动量分布是用来研究高能碰撞的最常用手段 这是因为横向动量是在碰撞中产生的 因此它与动力学的关系很紧密 基于 PYTH2A 模型 p p 碰撞的横动量分布如图 3 2 1 图 3 2 1 p p 碰撞中的横动量 PT分布 分析图 3 2 1 中的分布 1 随着 PT减小 dN dPT呈指数下降 2 在横动量 PT 0 1 的时候分布出现最高峰 在 PT 2Gev c 时 产生的粒子占粒子 总额的 90 以上 高横动量的粒子产生很少 在 PT 6GeV c 时 粒子产生已接近 0 所以一 般只研究 0 PT 6 这一部分的粒子 假设 p p 碰撞的势能符合波尔兹曼函数拟合曲线 那么可以得到粒子产生时碰撞系统的 温度 还可以分析横动量粒子之间的关联 3 3 p p 碰撞中的角分布 一些碰撞中的现象可以用发射角 的分布来分析研究 p p 碰撞中的角分布如图 3 3 1 图 3 3 1 p p 碰撞中的角分布 分析图 3 3 1 的分布 1 dN d 不随 的变化而变化 可以看出发射角分布是各向同性的 2 与核 核碰撞不同 第四章 总结和展望 4 1 总结和展望 本文中利用 PYTHIA 模型 我们描述了 p p 碰撞系统中的末态粒子三个方向上的分布 我们知道 高能核子 核子碰撞中产生了很多粒子 这些粒子在产生过程中 它们之间会发 生相互碰撞等作用 我们用 PYTHIA 模型作了三个分布来了解这些粒子的相互作用 发现这 些分布与实验符合的很好 从快度分布 我们看到快度区间分为中心快度区 中间快度区和 边缘快度区 中心快度区附近的分布呈现出一个平台 而且随着束流能量增大而变宽 利用 快度分布我们还可以分析研究碰撞系统的原初总能量和粒子在快度方向上的相互作用 从横 动量分布 我们发现在