极高能量密度下核物质演化的研究

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从1953年,朗道首次提出可以用理想的流体力学模型来描述高能强子碰撞后的产物的演化规律,到1983年,比约肯将这种想法引入高能重离子碰撞的研究中。现如今,流体力学已经广泛应用于相对论重离子碰撞的研究中。我们知道,在确定了流体方程的普遍形式以后,我们还需要通过物态方程和初始条件来准确描述系统的演化过程。不同于之前关于夸克胶子等离子体是一个弱耦合的系统(pQGP)的预期,目前的实验数据表明,高能重核对撞产生的夸克胶子等离子体内部应该是强耦合的(sQGP)。因而,微扰的计算方法就不太适用了,而运用非微扰的方法,从第一性原理出发对物态方程和初始条件进行计算存在一定的难度。在这种情况下,人们开始提出一些唯象的模型来研究流体模拟中的这两个关键问题。而我们的工作,也是围绕这两个方面来展开的。首先,我们对物态方程采用了准粒子这一唯象模型来进行了研究。在夸克胶子等离子体的准粒子模型中,系统中粒子间的相互作用被等效为一个与温度和化学势相关的质量项。因此,准粒子传播子就具有与自由夸克传播子完全相同的形式,利用这样的传播子,再通过我们已经在文献[63]和文献[130]中所提出的模型无关的计算公式,我们可以得出在有限化学势情况下的准粒子模型的物态方程。我们将得到的物态方程与Frage、Pisarski和Schaffner-Bielich提出的微扰方法得出的物态方程进行了比较。我们发现,在大化学势区域,我们的结果与Frage、Pisarski和Schaffner-Bielich的结果符合的很好,而在化学势小于1.5个GeV的区域,这两种物态方程开始显示出一些不同。这一结果说明,在大化学势区域,通过准粒子唯象模型计算出夸克胶子等离子体物态方程的可靠性,从而降低了从第一性原理出发所产生的计算困难。除了对极端条件下物态方程的讨论,我们还对影响流体演化的另一关键因素,也就是夸克胶子等离子体的初始条件进行了研究。我们选择的切入点是热化过程对初始能量分布的影响。目前通用的Glauber模型和CGC模型,都是以原子核发生碰撞时的多重碰撞数为基础,再通过参数化的方法,引入预平衡作用所产生的软化影响。但是,整个预平衡过程除了参与碰撞核子的多重碰撞过程之外,还应该包括碰撞后生成的大量部分子的无规则的热运动。而这种热化过程的影响,应当在初始条件的分布中得到体现。我们研究的目的在于,搞清楚夸克胶子等离子体的热化过程在宏观物理量的初始分布中所扮演的角色。为了验证这一想法,我们构建了一系列的考虑了热化现象的唯象的初始条件模型,然后从流体演化的结果中提供有效的反馈信息,并与实验的结果和未考虑热化影响的通用模型的结果相比较,来对比得出热化过程对初始条件的影响。首先,我们引入对于Glauber模型的唯象线性修正,使其加入了热化过程的影响。我们修正的基础来自于热力学第二定律的表述,任何孤立的系统都朝着熵的极大值的方向进行演化。而我们的讨论,则集中于这一熵的演化进程在夸克胶子等离子体的初始时刻所扮演的角色。我们发现,这一修正使椭圆流v2关于横向动量的函数值整体向小动量区域“平移”:极值所对应的横动量减小,同时小横动量区的v2数值有所增加。除此以外,在主要的小动量区域,我们的结果与原始的Glauber模型和CGC模型相比,虽然并无太大的差异但与实验结果符合的更好。所以我们认为,一个考虑了热化过程的初始条件,用来描述夸克胶子等离子体的流体演化的初期的物理量的分布是更为合理的。我们的计算结果表明,在夸克胶子等离子体流体演化的初期,对初始条件的软化程度的要求比之前料想的要高一些。而这一结果,也与实验结果所得出的夸克胶子等离子体应该是强耦合系统的结论,十分吻合。以此为契机,我们对热化过程在初始条件中所扮演的角色进行了更为深入的研究。由于通常用流体的演化来对夸克胶子等离子体的膨胀进行模拟,这也就是说,初始状态也应该满足流体方程。以此为出发点,我们对初始时刻的流体方程进行了研究,结果发现,初始时刻的温度分布应满足一个等效形式的傅立叶热传导定律。这就给出了初始条件的热力学上的限制条件,同时,也就从理论上证明了,在初始条件中,热化过程对宏观热力学量的分布起到了重要作用。同时,通过理论上的分析,我们发现,考虑了热力学限制的初始条件,会明显的压低椭圆流v2的数值。为了检验这一结果,我们构建了一个满足热力学限制的唯象的初始条件模型,并通过比较这种热力学修正模型与通用模型间结果的差异,来分析初始条件中是否考虑热力学限制,对流体演化的结果会产生怎样的影响。我们发现,相较于通用的初始条件的结果,在满足热力学限制的修正模型中,其参数之一粘滞系数与熵的比值的数值降低了一半。这说明同等条件下,椭圆流v2的值出现了明显的压低,这与我们之前的讨论相一致。至此,我们可以判断,热力学限制因素的考虑与否,对初始条件的影响是十分明显的。同时,我们还对不同碰撞参数下的模拟结果与不同碰撞中心度下的实验结果进行了比较。在整个碰撞中心度区域中,这两种结果都得到了较好的符合。最后,我们还把以上两种修正方法的结果相比较,从而排除了我们对模型所做的简化本身会对修正的结果带来明显的影响。在第一种修正中,我们对初始条件模型,做了与第二个修正模型类似的中心区域近似平衡的简化处理,但是并没有采用热力学来限制初始条件,而是在通用模型的基础上,通过一个线性的唯象的软化操作给出了初始条件。正如前面所提到的,我们的计算结果表明,不考虑热力学限制的修正模型确实可以给出相对较为压低的椭圆流数值,但是差别并不十分明显。这说明,带来椭圆流压低的物理机制,并非来源于我们对模型所做的简化,而是来源于对初始条件进行了符合热力学限制条件的考虑。
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