在RHIC能区Cu+Cu碰撞中轻(反)原子核与(反)超核的产生与特性研究

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理论上认为,宇宙产生之初正反物质应该是相同的,而现实的宇宙中已经很难找到反物质的存在。反物质和普通物质的这种不对称性是现代物理学研究的一个基本问题,研究这个不对称性的深刻的物理机理是过去几十年的一个热点。由于在高能重离子碰撞实验中,最初产生高温高密核物质的环境类似于宇宙大爆炸的初始阶段产生的“火球”环境,这为在实验中研究反物质提供了一条可能的途径;也为科学家研究宇宙演化早期物质形态,寻找奇特物质和反物质提供了理想场所。借助于现代加速器技术,科学家在高能碰撞实验中已经成功产生并捕捉到了反氢原子,并对轻(反)核物质以及(反)超核物质等进行了广泛的研究。特别是(反)超核物质被发现以来,极大地促进了核物理学家对探索奇特物质(如超核、反超核和含奇异夸克的束缚态)以及超子-核子相互作用的研究工作。本论文用部分子-强子级联模型(PACIAE)模拟质心能量为200 GeV、赝快度区间为|η|<0.5、以及横动量范围为0<pT<8GeV/c的铜铜(Cu+Cu)碰撞实验,产生多粒子末态;接着用动力学约束的相空间组合模型(DCPC)组合产生轻(反)原子核(d、(?)、3He、(?)、4He、(?))和(反)超核(Λ3H、(?))。模拟研究相对论重离子碰撞中轻(反)原子核和(反)超核的产生及其特性。其中,模型参数通过拟合STAR实验组相同条件下已有的实验数据确定。首先,计算了不同中心度区间轻(反)原子核(d、(?)、3He、(?)、4He、(?))的产额、产额比,研究了它们的中心度依赖性和质量标度特性。结果表明:轻(反)原子核的产额随着中心度的增大都迅速下降,呈现出很强的中心度依赖特性;但是,反原子核对原子核的产额比随着中心度的增大保持不变。轻(反)原子核的产额随着原子核质量数的增大而很快地减小,呈现出质量的指数标度行为,即每减少单位核子数,(反)原子核的产额下降约3个数量级。同时,可以发现:随着参与碰撞的核子数(Npart)的增加,每参加碰撞核子数产生轻(反)原子核的相对产额快速增大;而且重一些的(反)原子核比轻一些的(反)原子核增加得更快,这表明参与碰撞的核子数越多越容易产生轻(反)原子核。另外,本论文还用组合参数BA讨论了合成原子核的难易程度。结果显示,产生重一些的(反)原子核比轻的(反)原子核更难。模型结果与已有的STAR实验值符合得很好。这样,本论文预言了高能Cu+Cu碰撞中不同中心度轻(反)原子核产生的产额与产额比,给出了相对论重离子碰撞中轻(反)原子核产生的质量标度特性。然后,分别计算了三个中心度区间(0-10%、10-30%、30-60%)的超氚核和反超氚核(Λ3H、(?))的产额、产额比,并与(反)氦-3核(3He、(?))以及(反)氚核(3H、(?))进行了比较。研究结果表明:(反)超氚核的产额(Λ3H、(?))与3He、(?)、3H和(?)的产额均随着中心度的增大而迅速地降低;但其反超氚核与超氚核的比值保持不变,与中心度无关;(反)超氚核对原子核质量数相同的(反)原子核(3He、(?)、3H、(?))的混合比值(Λ3H/3He、(?)/(?)、Λ3H/3H、(?)/(?))都小于1,这表明(反)超核的产额比普通(反)原子核的产额低。此外,论文中还计算了超氚核和反超氚核的奇异丰度因子S3=Λ3H/(3He×Λ/p),其值都接近于1,这一结果进一步证实了相对论重离子碰撞中奇异夸克的相空间数与轻夸克的类似,意味着高能Cu+Cu碰撞中高温解禁夸克物质已经形成。模型研究结果也与已有的STAR实验数据符合得较好。同样,本论文用模型预言了高能Cu+Cu碰撞中不同中心度区间超氚核和反超氚核的产额、产额比和奇异丰度因子的值。最后,研究了质心能量为200 GeV的Cu+Cu碰撞中介子(π+、π-、k+、k-、kS0)、重子(p、(?)、Λ、(?))和轻(反)原子核(d、3H、(?)、3He和(?))的集体流行为,比较了正物质与反物质的集体流的差异。本论文用PACIAE模型和DCPC模型分别计算了介子、重子和轻(反)原子核椭圆流v2的横动量分布。结果发现:在高能Cu+Cu碰撞中产生的轻(反)原子核也存在集体流行为;特别是,本论文首次证明了,在误差范围内,正物质与反物质(包括介子、重子和原子核)的椭圆流的横动量分布完全相同,即正、反物质的产生和演化过程是完全对称的。这些结果都进一步证实在相对论重离子碰撞中QGP物质已经产生。计算得到的椭圆流v2的横动量分布特征与实验数据相似,在低横动量区域,模型结果与实验数据吻合较好;在高横动量区域,存在一些差异,这可能是由于模型和实验组对中心度的定义标准不同所引起。
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