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物理学的重要任务之一是研究物质的内部结构。从电子的发现,α粒子的散射效应,以及对放射性元素的研究,到现在为止我们对构成物质的基本单元的认识已经达到了夸克、胶子层次。回顾过去,我们可以看到每一个时期所认定的物质的基本单元都不断地被新的下一层次的内部结构所代替。随着理论知识以及科学技术的发展,我们对物质内部基本结构的认识将逐步深入。
目前,能够较成功地描述强相互作用的理论是量子色动力学(QCD)。QCD理论有两大主要特征:渐近自由和色禁闭。由于“色禁闭”,我们无法找到自由状态的夸克和胶子。在实验室探测器探测到夸克或胶子之前,它们已经碎裂成为了末态强子,即,目前我们所能观测到的只有末态强子。研究物质内部结构的一个重要的方法就是进行高能粒子碰撞实验。1975年和1979年在e+e-对撞实验中分别发现了2喷注事件和3喷注事件,在高能碰撞实验中这是两个重大的发现。对喷注的判别和研究在相对论重离子碰撞中也是重要的内容之一。按照定域部分子-强子二重性(LPHD),强子喷注反映了初始部分子碎裂与强子化的信息。因此,我们可以对高能碰撞末态粒子形成的喷注的特性进行研究,从而间接得到夸克与胶子以及强相互作用的性质。
本文对喷注的几何特性进行了研究,分为两个部分。
第一部分,对夸克喷注与胶子喷注的角分布特性进行了模拟研究。用蒙特卡洛(MC)模拟Jetset7.4产生质心能量为91.2GeV的e+e-对撞事件。用Durham方法判别喷注,从中挑选出3喷注事件,采用角度法则辨别夸克喷注与胶子喷注,考虑到动量守恒的要求以及为了提高事件的纯度,分别加上了相应的截断条件。
首先,定义了二维角分布变量,计算得到了夸克喷注与胶子喷注内部的二维角分布。我们发现:在能量相同的条件下,胶子喷注内部粒子的角分布范围比相应的夸克喷注内部粒子的角分布范围明显宽一些,且其分布相对于喷注轴有很好的对称性,即喷注在空间的分布呈圆锥形。这些结论与QCD理论的预期是一致的。
其次,为了定量地研究喷注内部的几何特性,引入了物理量——圆锥角,并且考虑到不同动量大小的粒子在喷注中的地位不同,在计算喷注的圆锥角时引入了动量权重。我们取喷注的能量分别为18GeV和24GeV,计算夸克喷注与胶子喷注圆锥角的分布。结果表明,胶子喷注的平均圆锥角比夸克喷注的平均圆锥角明显的大一些。再次,我们分别研究了夸克喷注与胶子喷注的平均圆锥角与喷注的多重数和横动量的关联特性。我们发现:在粒子数相同的条件下,胶子喷注的平均圆锥角比夸克喷注的平均圆锥角大。不带权重时,不同味夸克喷注的平均圆锥角与由不同味夸克发射的胶子产生的喷注的平均圆锥角随喷注的带电多重数的分布都呈现线性正关联。值得注意的是,带权重时,该分布呈现出一个极小值,且在相同的带电多重数下,不同味夸克喷注的平均圆锥角近似相同,胶子喷注的平均圆锥角仍比夸克喷注的平均圆锥角大很多。喷注的平均圆锥角与喷注的横动量之间也有类似的分布。
最后,为了解释和说明不同味夸克喷注圆锥角分布的特性差异,我们建立了一个简单的模型进行了计算,并对该结果进行了讨论和证明。我们认为:不同味的夸克喷注的圆锥角分布的特性差异是由于不同味的夸克之间的质量存在差异,造成了强相互作用的对称性破缺所引起的。
第二部分,用HBT关联的方法研究了e+e-对撞中产生的喷注在部分子演化阶段的几何特性。用蒙特卡洛模拟Jetset7.4产生e+e-对撞事件,用Durham方法判别喷注,挑选出3喷注事件。在3喷注事件中我们采用角度法则辨别夸克喷注和胶子喷注。考虑到未发射硬胶子的初始夸克所形成的喷注的总能量在三个喷注的能量中应该最大,加上了能量截断条件。考虑到动量守恒以及为了提高事件的纯度,我们分别加上了适当的截断条件。
首先,我们给出了HBT关联函数的定义,在只考虑粒子发射源空间分布的条件下,假设源分布函数是各向同性的,即,在球对称的条件下,给出了相应的关联函数的形式。
其次,我们计算了全同π介子关联函数的分布,用所得到的关联函数公式进行拟合,得到了不同味初始夸克条件下,夸克喷注、母夸克喷注和胶子喷注的强子(π介子)发射源平均半径的大小,即,得到了初始夸克经过部分子级联,形成的部分子喷注的大小。其夸克喷注的平均半径为0.73fm,母夸克喷注的平均半径为0.68fm,胶子喷注的平均半径为0.5fm。
值得注意的是:不同味的夸克产生的部分子喷注的平均半径近似相同,我们认为决定喷注大小的重要因素是初始部分子的能量,这也是母夸克产生的喷注的平均半径比夸克产生的喷注的平均半径稍微小一些的原因。胶子产生的喷注的平均半径明显比夸克产生的喷注的平均半径小很多,其原因也主要是由于能量的差异引起的。而不同味的夸克发射出的硬胶子产生的喷注的平均半径几乎相同,这表明不同味夸克发射的胶子具有相同的几何性质。