LHC/ALICE实验(多)奇异粒子产生的研究

来源 :华中师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pan2009pan
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量子色动力学(QCD)理论预言,在极端高温高密条件下,核物质将由禁闭的强子态转化为解禁闭的夸克-胶子等离子体(QGP)态。由于QGP是存在于宇宙大爆炸之后约几微秒内的物质,因此研究QGP对研究宇宙的起源和宇宙早期演化具有重要意义。在实验室中,QGP通常由高能重离子(核-核)碰撞形成极端高温高密条件产生。随后,产生的QGP会迅速膨胀和冷却。当温度降至150MeV左右时,解禁闭的部分子强子化成为色中性的强子。位于欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)上的大型重离子对撞实验(ALICE)致力于系统地研究碰撞产生的末态强子,以探究QGP信号以及其性质。通常认为,在小碰撞系统(例如:质子-质子(pp)、质子-铅核(p-Pb)等碰撞系统)中不会产生QGP。因此,小碰撞系统的实验结果往往被用做解释核-核碰撞的实验结果和研究QGP性质的基准。然而,越来越多的实验数据表明,在pp和p-Pb小碰撞系统中,已经观测到类QGP信号,并且这种信号随着系统尺寸和末态粒子多重数的增加而变得更加明显。例如,核-核碰撞系统中的重子-介子产额比(如:p/π和Λ/KS0)与pp碰撞系统相比在中间横动量区间(2<pT<4 GeV/c)存在明显抬高。这种重子-介子比的抬高现象被认为是QGP的特征信号之一。近年来,在高多重数pp和p-Pb碰撞系统中观察到,相较于低多重数小系统碰撞,重子-介子的产额比在中间pT区间也存在明显抬高,这与在Pb-Pb碰撞中观察到的现象类似。此外,核-核碰撞中观测到的奇异性增强也是反映QGP性质的众多探针之一。最新实验结果表明,在pp和p-Pb碰撞中,多奇异强子与非奇异强子的产额比也随着多重数的增加而增加,甚至达到了在Pb-Pb碰撞中观测到的值。上述现象表明,从小系统到大系统,粒子的产生可能存在一种共同的物理机制。因此,深入研究小系统中粒子的产生对于解释小系统中观测到的类QGP信号具有重要而深远的意义。重子-介子产额比在中间横动量的抬高现象与径向流和部分子重组合强子化机制有关。除此之外,部分子的横动量分布以幂指数特征急剧下降,因此该横动量区间的粒子也可能是由高横动量范围内部分子的硬碎裂产生的。由于喷注中粒子的产生与硬过程有关,借助高横动量的喷注来研究粒子的产额比,能够更深入地了解重子-介子比抬高现象的原因。本研究工作基于2016-2017年LHC-ALICE实验采集的质心系能量分别为(?)=13 TeV和(?)=5.02 TeV的质子-质子、质子-铅核碰撞数据,利用带电粒子喷注,深入地研究小系统中(多)奇异粒子的产生。其中,奇异粒子在|η|<0.75接收度范围内通过对其带电粒子衰变的拓扑结构参数设置限制条件重建得到;带电粒子喷注使用Fastjet软件包中anti-kT算法进行重建,分辨率参数R=0.4、横动量pT,jetch>10 GeV/c、赝快度|ηjet|<0.35;奇异强子与喷注以及软过程背景(UE)的关联通过计算η-φ平面上喷注与粒子之间的距离得到。首次将喷注中可鉴别粒子产生的研究拓展到多奇异粒子(Ξ和n),并首次在p-Pb系统中研究了喷注碎裂产生的奇异粒子与事件多重数的依赖关系。我们测量了(多)奇异粒子(KS0、Λ、Ξ和Ω)在单举事件、喷注、以及UE中的产额随pT的分布。测量结果表明,(多)奇异粒子在喷注中的产额随横动量的分布较单举过程和UE背景中的分布更平缓。因此,在高横动量区间粒子的产生由喷注碎裂主导,而UE背景对低横动量区间的粒子产额影响较大。同时,在p-Pb碰撞系统中,研究了粒子产额对事件多重数的依赖关系。研究发现,喷注产生的奇异强子的横动量分布并未呈现出碰撞事件多重数的依赖性。随后,我们进一步计算了,重子-介子的产额比(Λ/KS0、Ξ/KS0、Ω/KS0)和重子-重子的产额比(Ξ/Λ、Ω/Λ、Ω/Ξ)在单举事件、喷注以及UE中随pT的分布。结果表明,喷注中重子-介子产额比和重子-重子产额比在中间横动量区间的分布明显低于单举过程中的分布。相反,这些产额比在UE背景中的分布与单举过程中的分布相似。而在高横动量区间,喷注和单举过程中的重子-介子产额的比值近似相等。这表明,在高多重数小系统中单举过程观测到的重子-介子产额比在中间横动量区间的抬高似乎是由UE软过程导致的,而不是由喷注的硬散射引起的。因此,单用喷注硬散射过程并不足以描述高能强子对撞中奇异粒子的产生。最后,将以上的实验结果与PYTHIA 8模拟结果进行对比,发现PYTHIA 8可以较好地描述A和KS0粒子产额及其产额比(Λ/KS0),但是不能描述喷注中多奇异重子(Ξ和Ω)产额及相关产额比(Ξ/KS0、Ξ/Λ、Ω/KS0、Ω/Λ和Ω/Ξ)。因此,本文的研究工作也为唯象学模型中粒子产生机制,尤其是多奇异重子的产生提供了新的限制。
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