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宇宙大爆炸理论认为在宇宙形成的最初阶段存在一种极其特殊的物质形态-夸克胶子等离子体(QGP)。格点量子色动力学预言在高温和低重子密度的条件下会产生从普通的强子物质到这种夸克解紧闭、局部达到热平衡的夸克胶子等离子体的相交。位于美国布鲁克海汶国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)是目前最高能量的重离子对撞机,其通过极高能的重离子束流对撞来寻找QGP并研究其特性。在这种解紧闭的物质中,粲夸克和其反夸克组成的束缚态J/ψ中夸克和反夸克之间的作用力会由于色荷的德拜屏蔽而降低从而使得J/ψ束缚态不复存在。因此,J/ψ在相对论重离子对撞中产额的抑制是QCP形成的一个非常重要的信号。
然而,除了色荷屏蔽会造成J/ψ的产额降低外,还有一些其它的效应会造成类似的影响。例如,CERN-SPS17.3 GeV铅核-铅核对撞中观测到的J/ψ的产额抑制的程度随着动量的增加而减少的趋势可以用J/ψ的形成时间这一初始状态的效应来解释。在更高能量--RHIC能区的200 GeV金核-金核和铜核-铜核对撞中,尽管RHIC能区产生的物质的能量密度要高得多,低横动量的J/ψ的产额抑制和CERN-SPS的测量结果非常类似。可能的解释是:1)RHIC能区产生的热化的粲夸克及其反夸克在热力学冻结附近会再组合成J/ψ从而部分抵消由于色荷屏蔽造成的产额的抑制:2)目前观测到的J/ψ的抑制都来自高阶的粲夸克和其反夸克的束缚态例如ψ和Xc,CERN和RHIC产生的物质的温度都能使得这些态分解而都不能使得直接产生的J/ψ分解。对于高横动量的J/ψ,其再组合产生的比重会与低横动量有所差异,更重要的是,最近的AdS/CFT理论计算表明直接产生的J/ψ的分解温度会随着动量的增加而减少。在5 Gev/c以上,J/ψ的分解温度会降低到RHIC达到的温度。因此高横动量的J/ψ的测量能对J/ψ的产额抑制机制的研究以及QGP的寻找和特性的研究提供独特而又极为重要的帮助。
事实上,在J/ψ被发现的20多年后,人们对其产生机制依然不是非常清楚。目前人们认为其可能的来源为:1)通过色单态或是色八重态的粲夸克和其反夸克对的直接产生;2)部分子的碎裂过程:3)高阶粲偶素和B粒子的衰变。目前没有任何一个模型能完全解释基本粒子对撞中产生的J/ψ的特性。质子-质子和原子核对撞产生的高横动量的J/ψ的测量会给J/ψ产生机制的研究提供额外的信息。
本文在RHIC能区首次测量了高横动量J/ψ在200 GeV质子-质子和铜核-铜核对撞中的产生。我们通过J/ψ→e+e-来重建J/ψ.其中一个高能的电子由电磁量能器触发。该触发系统能大大提高高能电子的产额从来提高记录到的亮度。对于这种电子,我们通过综合利用时间投影谱仪测量到的电磁能损(dE/dx)和电磁量能器提供的总能量以及电磁簇射的形状来鉴别。该种鉴别方法高效地提供很纯的高能电子样本。对于另外一个电子,我们挑选能量稍微低一些的可以直接由时间投影谱仪单独鉴别的电子以提高重建效率。通过这种重建方法,我们得到了高信噪比的、高横动量的J/ψ。并进而得到了其微分产生截面,和模型其进行了比较,测试了XT标度。我们发现横动量高于5GeV/c的J/ψ遵循XT标度,其指数为n=5.6±0.2。而低横动量的J/ψ违背这一标度,该发现表明,尽管低横动量的J/ψ必然来源于硬过程,但是软过程能会影响J/ψ的产生。
我们发现铜核-铜核对撞中J/ψ的核修正因子RAA随着横动量的增长而增长。其在5GeV/c以上的平均值为1.4±0.4±0.2。这表明J/ψ产额没有抑制,与AdS/CFT的理论预言正好相反。而2-component模型能解释这一趋势。
由于高信噪比,我们在RHIC能区首次测量了高横动量J/ψ和带电强子之间的方位角关联。我们发现在高横动量J/ψ附近几乎没有带电强子产生,这与强子-强子的关联结果完全不一样。通过与模型作比较,我们得到了在高横动量区,B介子对总的J/ψ的贡献为13%±5%。