ALICE实验质子-质子碰撞13TeV中单举和半单举带电粒子喷注的测量

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探索物质微观结构一直是人类认识物质世界基本规律的重要课题。我们知道原子是由原子核和核外电子组成,原子核包括了质子和中子,而质子和中子又是由夸克组成的。夸克和它们交换的胶子当前被认为是基本粒子,它们之间的相互作用可以用量子色动力学(QCD)来描述。但是夸克和胶子被限制在强子核内,在通常环境中无法直接提取自由的夸克和胶子。根据格点量子色动力学(LQCD)预测,当核物质处于极端相对论下高温高重子数密度坏境中,如果能量密度大于相变所要求,被束缚在强子内部的夸克和胶子就会出现解禁闭状态,形成自由的夸克胶子等离子体相(Quark-Gluon Plasma,QGP)。夸克胶子等离子体(QGP)被认为存在于宇宙大爆炸后的早期宇宙。随着早期宇宙迅速膨胀冷却,温度降低到相变的临界温度时,QGP随之演变成星系及退禁闭成稳定的核物质,就形成了当今宇宙。因此,研究QGP的形成过程及其性质,将有助于我们进一步了解宇宙的起源和物质的形成,就成为现在高能核物理研究的重要课题。为了更加清楚地了解宇宙大爆炸初期的QGP的相变过程,利用相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)和大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)等大型实验装置来进行宇宙大爆炸实验模拟。大型实验装置对粒子束进行加速并使其相撞,在实验室条件下达到形成QGP相变的条件,进而生成QGP热密物质并研究其性质。大型重离子对撞机实验(A Large Ion Collider Experiment,ALICE)是LHC上主要运行的实验之一,它主要的目的是通过重离子碰撞来研究QGP的产生及性质。碰撞之后产生的QGP物质存在的时间是非常短暂的,所以无法直接探测,只能通过QGP产生的末态稳定产物作为探针,通过观测探针的演化来研究QGP相的形成和性质。由硬散射产生的高能粒子为主组成的喷注是研究QGP的重要探针之一。在高能核子-核子碰撞的实验下,硬散射是碰撞过程中部分子转移能量和横动量比较大的过程,这个过程产生的部分子最终会碎裂成末态的强子,并准直在一个有限的空间内形成类似锥角的束流,称之为喷注。同时,在高能核核碰撞实验中发现,当喷注穿过QGP物质相时,其中的高横动量部分子会与热密物质相互作用而损失能量,导致高横动量的粒子产额压低,即发生喷注淬火现象。喷注淬火效应不仅意味着高横动量的产额压低,还会体现在喷注内的组分粒子分布发生变化,因此对喷注的研究将更加利于我们对QGP的形成及物理性质的理解。近几年来随着高能核物理的发展,发现在高多重数质子质子碰撞和质子铅碰撞这样的小系统下,会产生和重离子碰撞中QGP形成时一些相似的集体动力学特性。那么在小系统中是否有类似QGP的夸克物质形成,目前这是一个很开放的问题,需要进一步去研究。受此发现的推动,本分析使用喷注作为研究手段,研究在质子质子碰撞这样小系统是否有类似QGP下的喷注演化现象存在。本次分析我们是基于目前ALICE探测器获取的最高的碰撞能量和最大的统计量13TeV数据,来展开质子质子碰撞中单举喷注和反单举喷注的研究。我们研究了有关单举喷注的产额以及单举喷注的散射截面来检验pQCD的计算过程。因为这个过程会涉及到散射截面的归一化问题,会引入额外误差,所以接下来选择用带电粒子触发径迹测得反冲半单举喷注产额,集中在背景相对纯净的条件产额来展开研究。具体分析选取了两个不同横动量区间的强子作为触发粒子,并对触发粒子伴随产生的反冲喷注产额进行比较,利用两个触发区间相减来扣除相关的背景,得到背景相对纯净的半单举反冲喷注产额,即相对产额△recoil及其横动量分布。分析过程中利用蒙特卡洛模拟数据对半单举反冲喷注△recoil的横动量进行探测器效应修正,随后将修正后的半单举反冲喷注与蒙特卡洛模拟数据进行比较,检验理论模型的正确性。一方面,我们研究了不同分辨率参数反冲喷注产额的比较,该比值反映了喷注碎裂过程的准直性行为。另一方面,我们对不同的反冲喷注横动量pT区间里,反冲喷注与触发强子的关联方位角的相对分布Φ(△φ)进行了研究并且与蒙特卡洛模拟数据进行比较,发现实验数据和模拟都体现出关联角的相对分布宽度随着反冲喷注横动量增大而有变窄的趋势。关联方位角的进一步研究结果显示,高多重数事件的关联方位角相对分布是高于无偏差事件的,被称为加宽效应。类似的效应已经出现在中心核核碰撞和边缘核核碰撞的对比。结合其它实验观测量例如集体流和奇异性增强,这表明高多重性事件体现出了不依赖于碰撞系统的集体动力学性质。因此我们期望,通过研究加宽效应对多重数和喷注横动量的依赖关系,将为进一步验证在高多重数区间的小系统下夸克物质的存在提供依据。
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