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RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究

施梳苏

施梳苏. RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
引用本文: 施梳苏. RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
Shusu SHI. Collective Flow of Identified Particles in Heavy Ion Collisions at RHIC-STAR[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
Citation: Shusu SHI. Collective Flow of Identified Particles in Heavy Ion Collisions at RHIC-STAR[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72

RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11890711); 中央高校基本科研业务费项目(CCNU20TS009)
详细信息
    作者简介:

    施梳苏(1982–),男(土家),湖北恩施人,教授,博士,从事高能重离子碰撞实验研究;E-mail:shiss@mail.ccnu.edu.cn

  • 中图分类号: O571.6

Collective Flow of Identified Particles in Heavy Ion Collisions at RHIC-STAR

Funds: National Natural Science Foundation of China (11890711); Self-determined Research Funds of CCNU from the Colleges Basic Research and Operation of MOE (CCNU20TS009)
图(7)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-20
  • 修回日期:  2020-06-10

RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(11890711); 中央高校基本科研业务费项目(CCNU20TS009)
    作者简介:

    施梳苏(1982–),男(土家),湖北恩施人,教授,博士,从事高能重离子碰撞实验研究;E-mail:shiss@mail.ccnu.edu.cn

  • 中图分类号: O571.6

摘要: 本文总结了RHIC-STAR重离子碰撞实验中近年来重要的空间各向异性流的结果。主要包括最高能量重离子碰撞中多重奇异及含粲夸克粒子椭圆流的结果和RHIC能量扫描计划BES-I中椭圆流和直接流的结果,其中金金碰撞54.4和27 GeV是最新测量结果。我们发现新碰撞能量点的直接流符合碰撞能量依赖的总体趋势;椭圆流符合组分夸克标度性,这表明54.4和27 GeV的金金碰撞中形成了部分子层次的集体运动。同时展望了未来能量扫描实验的计划以及与之对应的空间各向异性流的研究重点。

English Abstract

施梳苏. RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
引用本文: 施梳苏. RHIC-STAR重离子碰撞实验中可鉴别粒子的集体流研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
Shusu SHI. Collective Flow of Identified Particles in Heavy Ion Collisions at RHIC-STAR[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
Citation: Shusu SHI. Collective Flow of Identified Particles in Heavy Ion Collisions at RHIC-STAR[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC72
    • 相对论重离子加速器(RHIC)位于美国纽约长岛的布鲁海文国家实验室(BNL),该实验装置能够将重离子(例如金核)最高加速到质心能量$\sqrt {S_{\rm{NN}}} \!=\! 200\,{\rm{GeV}}$。RHIC-STAR国际实验合作组是RHIC上两个大型的实验组之一。RHIC主要的物理目标之一是产生一种高温高密的新物质形态-夸克胶子等离子体(QGP)。这种新物质形态的主要特征之一是具有部分子层次的自由度。

      重离子碰撞中的集体运动行为一般通过末态粒子在动量空间中的各向异性参数vn的测量来研究。末态粒子在动量空间方位角的分布可用傅里叶函数展开写为

      $$ \frac{{{\rm{d}}N}}{{{\rm{d}}\phi }} \propto 1 + 2\sum\limits_{n = 1} {{v_n}\cos \big[n(\phi - {\Psi _n})\big]} {\text{。}} $$

      直接流(v1)是末态粒子在动量空间相对于事件反应平面方位角分布的傅里叶展开式的第一项,它描述了由碰撞产生的粒子和核碎片在x-z平面上的方位角的分布情况,载有碰撞最早期阶段的信息。直接流的大小和形状,特别是可鉴别粒子的直接流的大小和形状对于碰撞中形成物质系统的状态方程较敏感。为了区分重子阻碍效应和强相互作用相图中与平滑过渡阶段有关联的反向流,可鉴别粒子的直接流是很好的观测量,比较不同粒子的直接流在中间快度区的斜率(dv1/dy)可以提供更多的信息。根据流体力学模型,净重子在中心快度区的dv1/dy分布与物质的状态方程直接相关,随能量分布的极小值是从强子物质态到QGP发生一级相变的特征[1-2]。椭圆流(v2)是末态粒子在动量空间相对于事件反应平面方位角分布的傅里叶展开式的第二项。由于椭圆流是由碰撞系统在初始几何空间呈椭圆状的各向异性而产生的压力梯度差转化而来,所以椭圆流直接和碰撞早期的动力学相联系。椭圆流的大小依赖于碰撞过程中相互作用的强弱,因此它可以提供早期重离子碰撞所形成的系统中有效自由度及热动力学参数的信息。RHIC最主要物理结果之一是观察到了较大的接近理想流体计算的椭圆流;更重要的是,中横动量区间(2~5 GeV/c)鉴别粒子的椭圆流测量结果符合组分夸克的标度性(包括多重奇异粒子Ξ,Ω和φ介子)。这表明在RHIC最高能量的重离子碰撞下:(1)夸克解禁闭以及部分子层次的集体运动已经达到;(2)碰撞所形成的具有部分子层次自由度的新物质形态已经趋近于完全热化。近年来,对空间异性流的形成原因学界也提出了其它可能的解释,如“部分子逃逸”[3]

      对于可鉴别粒子的空间各向异性流参量的测量,RHIC-STAR实验组用到的是事件平面法[4]。根据每个碰撞事件末态粒子的方位角分布,我们可以估算事件反应平面在实验室系的角度,再将事件中感兴趣的鉴别粒子的末态方位角与事件反应平面角关联,便可测量出各阶空间各向异性流参数。由于末态粒子数目有限,估算出来的事件反应平面存在一定的涨落,因此最终的测量结果还需要通过事件反应平面分辨率的修正。实验测量的方法细节在文献[4-5]中有详细阐述。

    • 在RHIC最高能量重离子碰撞实验中观测到的鉴别粒子椭圆流的组分夸克标度性表明:部分子层次的集体运动可能在相应能量的重离子碰撞中达到。2016年之前发表的结果,由于统计量的局限性,多重奇异粒子Ω重子的椭圆流是否符合组分夸克标度性并不清楚。多重奇异粒子(Ξ, Ω)与φ介子的强子散射截面较轻味粒子小,是优于轻味组分夸克(u, d)粒子和奇异粒子的早期碰撞过程的探针。利用STAR组2010~2011年采集的大统计质心系能量200 GeV金金碰撞数据,我们完成了多重奇异粒子椭圆流的精确测量。测量结果如图1所示,敏感于碰撞早期过程的多重奇异粒子Ω重子和φ介子的椭圆流与轻味粒子质子和π介子的椭圆流在中横动量区间(2<pT<5 GeV/c)的表现为:Ω重子和质子以及φ介子和π介子的椭圆流大小相当,且均符合组分夸克标度性[6]。这表明RHIC最高能量重离子碰撞中所形成的椭圆流大部分来源于部分子层次的相互作用。利用高精度的φ介子椭圆流测量结果,STAR实验组发现在低横动量区间(pT<0.6 GeV/c)φ介子与质子椭圆流的质量排序被打破[6]。理论计算表明,这可以解释为两种粒子在强子-强子相互中所受到的影响不同所致。由于φ介子强子散射截面相比于质子要小,因此末态强子-强子相互作用产生额外的径向流也就相对于质子较小。径向流会将低横动量区间的粒子推向较高的横动量区间,从而导致了质量较小的质子的椭圆流小于质量较大的φ介子的椭圆流。测量结果第一次从实验上观察到了椭圆流质量排序在介子和质子之间的违背。

      图  1  (在线彩图)RHIC质心系能量200 GeV金金碰撞中π介子与质子椭圆流以及φ介子与Ω重子椭圆流的比较[6]

      STAR实验组于2014年升级安装了重味径迹仪(Heavy Flavor Tracker, HFT),其最主要的目标之一便是精确测量含粲夸克粒子的椭圆流,从而通过粲夸克的集体运动行为研究夸克胶子等离子的性质。含粲夸克粒子的质量比较大,相互作用散射截面比较小并且强子化的时间较轻味粒子早,因此携带了早期碰撞过程部分子态物质的信息。且由于粲夸克的质量相对于u, d, s夸克的要大得多,需要强烈的相互作用才有可能形成集体运动。因此对粲夸克集体运动的研究可以解答u, d, s夸克在碰撞早期部分子态热化的问题。HFT的安装使得在RHIC-STAR上精确测量含粲夸克粒子的横动量谱和椭圆流具备了可行性。在2014年的首次运行中,HFT工作良好,共采集了约1 000 M质心能量200 GeV金金碰撞事件。利用这些数据STAR完成了精度较高的D0介子椭圆流的测量,测量的结果(如图2所示)表明,粲夸克在碰撞过程的相互作用中形成了集体运动,并且与其它含轻味组分夸克(u, d)以及奇异夸克(s)的粒子一样符合组分夸克标度性[7]。这表明在质心能量为200 GeV的金金碰撞中,粲夸克与轻味夸克一样可能已经达到完全热化。我们将数据与理论计算相比较,提取出粲夸克在热密物质中的扩散系数范围应该在2~12之间。

      图  2  (在线彩图)RHIC质心系能量200 GeV金金碰撞中D0介子椭圆流的测量结果与${\rm K}_{\rm S}^0 $, Λ和Ξ粒子的比较[7]

      上述RHIC最高能量重离子碰撞中部分子层次的集体运动已经达到,理论上当降低碰撞能量到某一阈值我们应该能观察到部分子层次的集体运动消失。RHIC能量扫描计划的目标正是据此而探索强相互作用(QCD)相结构。STAR组在RHIC的能量扫描计划I(BES-I)中取得了一系列重要的测量结果。图3展示了STAR实验BES-I中不同‘净’粒子[8-9]直接流在中间快度的斜率随系统碰撞质心能量的变化。实验结果显示,净质子在碰撞能量20 GeV左右的范围内存在极小值[8-9],而净Λ重子与净质子的结果类似。这与加入一阶相变的流体力学模型计算结果定性符合[2],但目前理论上尚无法给出定论。另外当碰撞能量低于20 GeV时,净K介子直接流的斜率与净Λ重子和净质子斜率有显著的差别,其原因需要理论和实验进一步研究。RHIC-STAR于2017年采集了新的碰撞能量点54.4 GeV以及大统计量的27 GeV的金金碰撞数据。利用这些数据,我们完成了鉴别粒子直接流的初步测量。图4展示了质子、反质子、Λ超子、反Λ超子和φ介子的直接流在中间快度区间的斜率[10]。我们发现新的碰撞能量点符合碰撞能量依赖的总体趋势。φ介子的直接流斜率在11~15 GeV之间有变号的迹象,囿于目前统计量的局限,还需要RHIC-STAR BES-II的测量结果才能下结论。

      图  3  (在线彩图)直接流在中间快度区间的斜率:净质子(黑色实心点)、净Λ超子(蓝色空心三角)和净K介子(红色空心方点),数据来自碰撞中心度为10%~40%的金金碰撞

      图  4  (在线彩图)直接流在中间快度区间的斜率:质子、反质子、Λ超子、反Λ超子和φ介子,数据来自碰撞中心度为10%~40%的金金碰撞[10]

      BES-I椭圆流的测量中最引人注目的结果之一就是观测到在低于39 GeV的碰撞能量下正反粒子椭圆流的差异[11-14]。如图5所示,我们所测量的重子(正反质子和正反Λ超子)和介子(π介子和K介子)均观察到了差别,相同碰撞能量下重子和反重子的差别要大于介子和反介子,而且这种差异随着碰撞能量的减少而增加。正反粒子在较低碰撞能量下椭圆流的差别打破了RHIC最高能量重离子碰撞中观察到的组分夸克标度性。STAR的实验结果引起了理论上的广泛关注,多种理论模型试图解释这种正反粒子椭圆流的差别随碰撞能量的依赖性。流体与UrQMD输运的混合模型(Hybrid)仅能描述正反质子的差异[15];引入了部分子和强子势的NJL模型不能同时定量描述正反重子和正反介子的椭圆流差别[16-17];解析流体力学模型目前在实验数据的误差范围内能较好描述,并预言了正反质子的差别会大于正反奇异重子而正反奇异重子的差别又大于正反多重奇异重子,目前的实验数据精度尚不能验证这种与重子种类相关的依赖性[18]

      图  5  (在线彩图)RHIC BES-I中粒子与反粒子椭圆流的差值(Δv2):质子(黑色实心点)、Λ超子(黑色空心三角)、Kaon介子(黑色空心方点)和π介子(黑色实心三角)

      多重奇异粒子和φ介子具有较小的强子散射截面是碰撞早期部分子态物质系统的良好探针,利用BES-I的数据我们测量了这些粒子的椭圆流。图6展示了7.7~62.4 GeV碰撞中椭圆流组分夸克标度性[12-13]。由于上述已经观察到的正反粒子椭圆流的差异,我们这里仅展示了反粒子组的结果。可以看到当碰撞能量低于19.6 GeV的时候,φ介子及反Ξ重子有低于其它粒子的迹象,如图中红圈所示。由于统计量的局限性,φ介子的椭圆流大小偏离其它粒子的效应为1.8σ (7.7 GeV)和2.3σ (11.5 GeV),因此BES-I的结果并不能下定论。利用前述金金碰撞54.4和27 GeV的数据,我们完成了鉴别粒子椭圆流的初步测量,参见图7[19]。测量结果显示:在误差范围内,这两个能量鉴别粒子的椭圆流测量结果符合组分夸克的标度性。这一结论与我们在BES-I其它碰撞能量点的结果符合[11-14],说明强相互作用相变临界点和相边界应当存在于碰撞能量小于20 GeV的系统中。因此BES-II的实验聚焦碰撞能量低于20 GeV的能量区间。

      图  6  (在线彩图)RHIC BES-I中鉴别粒子椭圆流除以组分夸克数相对于橫动量除组分夸克数的依赖性[13]

      图  7  (在线彩图)金金碰撞54.4和27 GeV中鉴别粒子椭圆流的组分夸克标度性

    • 总结起来,RHIC-STAR实验多重奇异和含粲夸克粒子椭圆流的结果表明:在RHIC最高能量重离子碰撞中,轻味夸克(u, d)到奇异(s)及粲夸克(c)的部分子层次的集体运动已经达到。2009年至2014年,RHIC-STAR实验完成了BES-I,共采集了7.7,11.5,14.5,19.6,27,39和62.4 GeV七个碰撞能量点的数据。最主要的发现可以总结为以下三点:(1)在低于质心系碰撞能量为39 GeV的金金碰撞中,我们观察到了正反粒子椭圆流的差异,这种差异在重子与反重子之间尤为显著。正反粒子椭圆流的差异使得组分夸克的标度性被破坏,表明部分子态的物质在低于此能量的碰撞可能并未达到。(2)在7.7和11.5 GeV的金金碰撞中,我们发现φ介子的椭圆流有低于其它粒子的迹象,由于φ介子的强子散射截面较小是良好的早期碰撞过程探针,较小的φ介子椭圆流表明部分子态的物质可能并未形成。但是由于统计的局限性,还需要等待BES-II的数据得出清晰的结论。(3)我们观察到了净质子净Λ超子直接流在中间快度区的斜率随能量的非单调依赖性,与加入了一阶相变的流体理论计算结果定性相符。利用STAR实验于2017年采集的新的碰撞能量点54.4 GeV以及大统计量的27 GeV的金金碰撞数据,我们完成了直接流和椭圆流的初步测量,与BES-I其它碰撞能量相比观测量符合能量依赖性。

      2019年至2021年,RHIC-STAR正在进行BES-II,并已经完成了对撞机的升级。在完成RHIC电子冷却和束流升级之后,亮度与BES-I的比较提高倍数在4~15之间。按计划RHIC-STAR将采集400 M 19.6 GeV,250 M 17.1 GeV,300 M 14.5 GeV,230 M 11.5 GeV,160 M 9.2 GeV和100 M 7.7 GeV的数据,较之于BES-I统计量提高了12~25倍。目前已经顺利完成了19.6和14.5 GeV两个碰撞能量的数据采集。与此同时STAR组完成了反应平面探测器(EPD),内层时间投影室(iTPC)和端盖飞行时间探测器(eTOF)的升级。这些新的探测器扩充了STAR探测器组的粒子探测范围,鉴别粒子能力以及提高了重建反应平面分辨率。RHIC加速器和STAR组探测器的升级为完成精确的鉴别粒子尤其是多重奇异粒子和φ介子直接流和椭圆流的测量提供了支持。

      目前俄罗斯在建的NICA实验和德国在建的FAIR实验,聚焦高重子密度区域,是下一代束流能量扫描实验装置[19]。NICA的能量覆盖范围是4~11 GeV, FAIR的能量覆盖范围是2~5 GeV。新一代加速器具有较高的亮度,使得我们可以在这些能量范围采集到海量的数据。利用这些数据,我们可以开展集体流的精确测量,尤其是多重奇异粒子和φ介子的直接流和椭圆流测量以及不同中心度中净粒子直接流斜率的研究,从而聚焦高重子密度区域深入探索强相互作用相结构。

参考文献 (19)

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