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本文首先简要介绍了高能碰撞间歇与分形研究中的一些重要的原理,进行高能e+e-碰撞模拟实验所用到的模型,以及数据分析所采用的技术手段,然后系统地报告我们所开展的相关研究工作。
高能e+e-碰撞多粒子末态相空间的自相似分形特性在Z0衰变能区已被观察到,然而在其它质心能区的分形特性及其能量依赖性还没有被研究。本文利用蒙特卡洛模拟产生器Jetset7.4,在30 GeV到200 GeV范围内的18种不同质心能量下进行了高能e+e-碰撞模拟实验研究。首先,在冲度坐标系中,选取快度y,横动量pt和方位角ψ为相空间变量,对多粒子末态相空间进行各向同性分割,计算三维归一化阶乘矩(NFM)。计算结果显示:在各个不同质心能量下,三维NFM随相空间分割数的增加都呈现出好的反常标度性,这表明在各种不同质心能量下e+e-碰撞多粒子末态系统相空间都具有自相似分形特征。测量出了各种不同质心能量下高能e+e-碰撞多粒子末态相空间的间歇指数,发现间歇指数与能量之间存在很强的依赖关系。即间歇指数都随质心能量的增加而增加;且在质心能量小于80 GeV时,间歇指数随质心能量的增加迅速地增加:在质心能量大于80 GeV后,间歇指数随质心能量的增加趋于饱和;而当能量减少时,阶乘矩的间歇指数分布曲线都相交于零点附近,这表明e+e-碰撞多粒子末态系统的动力学起伏在较低的质心能量下趋近于零。
为进一步深入研究e+e-碰撞末态相空间的分形性质,分别计算其三个不同相空间变量的一维NFM,观察其与能量的依赖关系。用产生器Jetset7.4,在17个不同质心能量下产生e+e-碰撞事件,计算三个不同相空间变量y,pt,ψ的一维NFM。对一维NFM拟合得到的饱和指数表明,三个相空间变量对质心能量的依赖存在很大的差异性。其中,快度的NFM的饱和指数随质心能量增加而上升,横动量的NFM的饱和指数随质心能量增加而下降,而方位角的NFM的饱和指数随质心能量增加基本保持不变。在除Z0衰变能区以外的其他能区,三个一维NFM随相空间分割数分布曲线的饱和指数都不相等,这意味着末态粒子三维相空间应该是各向异性的。由于此前在各向同性分割相空间时已观察到了NFM的反常标度性,给出了末态粒子三维相空间是各向同性的结论,为此,我们有必要对高能碰撞末态粒子系统相空间的Hurst指数、三个一维NFM的饱和指数、NFM的标度特性和分形特征进行更为深入和细致的研究。经研究发现,按照饱和指数计算Hurst指数得到收缩率对三维相空间进行各向异性分割与取三个Hurst指数都等于1对三维相空间进行各向同性分割时,三维NFM随相空间分割数的增加都呈现出好的反常标度特性。这表明:高能e+e-碰撞多粒子末态相空间存在一个奇特的双Hurst指数现象。即当各向同性分割相空间时,观察到了三维NFM的反常标度性。这对应于一组Hurst指数,其三个不同相空间平面的值都等于1;而由模拟实验数据测得的另一组Hurst指数,其三个不同相空间的值都互不相等。
双Hurst指数现象是一个奇特的现象,为此,我们进一步从理论上对其进行了深入细致的研究和讨论。在分析了系统的Hurst指数与分形系统在相空间各个变量维度方向上收缩率的关系之后,发现:在满足收缩率守恒的条件下,对各向异性的相空间进行各向同性分割时仍然会观察到NFM的反常标度性。这表明,由于满足收缩率守恒的需要,可能存在双Hurst指数现象,因此,根据对相空间的分割方式和NFM的反常标度性并不能完全确定高能碰撞多粒子末态系统的分形特征。为此,我们通过对三个一维NFM的饱和指数、相空间的Hurst指数以及三维NFM标度特性之间的关系的研究,提出了高能碰撞多粒子末态相空间系统分形特性的一般性判据。即当三个相空间平面的Hurst指数都等于1时,则系统是自相似分形的,否则系统是自仿射分形的。为了检验我们提出的高能碰撞多粒子末态相空间系统“分形特性的一般性判据”和存在“双Hurst指数现象”的正确性,我们利用已发表的高能强子一强子碰撞和e+e-碰撞实验结果进行了验证,其结果与已有的实验结论一致;同时用MC模拟Jetset7.4产生器产生e+e-碰撞模拟实验数据对其进行了验证。结果指出:高能强子-强子碰撞末态粒子系统是自仿射分形的;而高能e+e-碰撞末态粒子系统,当碰撞时的质心能量等于91.2 GeV时,是自相似分形的,当碰撞时的质心能量不等于91.2 GeV时,是自仿射分形的。
最后,我们对高能e+e-碰撞多粒子末态系统的Lévy稳定性和多重分形谱的能量依赖性进行了研究。通过计算不同质心能量下系统的Lévy指数、Rényi维数和系统的多重分形谱,发现:在各种不同质心能量下,e+e-碰撞多粒子末态系统都满足Lévy稳定性要求:Lévy指数存在能量依赖性,即Lévy,指数随质心能量增加而减小;多重分形谱和Rényi维数与碰撞能量之间存在弱相关,即分形维数几乎不随能量增加而改变,信息维数和关联维数在质心能量小于80 GeV时随能量增加而减小,之后在误差范围内随能量增加保持不变。