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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。
Collective Flow of Identified Particles in Heavy Ion Collisions at RHIC-STAR
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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。Abstract: In this paper, we review the recent key results on anisotropic flow in heavy ion collisions at RHIC-STAR experiment. It mainly includes the results of elliptic flow of multi-strange and charm hadrons in top energy heavy ion collisions, and the results of elliptic and directed flow from RHIC Beam Energy Scan Program I. The results of 54.4 and 27 GeV are brand-new. We find the new results of directed flow follow the energy dependence trend; the Number of Constituent Quark scaling of elliptic flow indicates the partonic collectivity has been built-up in Au+Au collisions at 54.4 and 27 GeV. We also introduce the future plans of Beam Energy Scan experiments and the research focus of the anisotropic flow.
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Key words:
- heavy ion collision /
- QCD phase structure /
- collectivity
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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]
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]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]
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]
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