色玻璃凝聚及高能碰撞中双胶子的快度关联

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在粒子物理的标准模型中,量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)—描述夸克和胶子(部分子)之间强相互作用的规范理论,预言了强子内部的部分子密度会随着能量的增加(或者Bjorkenx的减小)迅速增加,进而会形成一种高密度的胶子凝聚态,又称为色玻璃凝聚态(Color Glass Condensate,CGC),同时胶子合并过程会阻止胶子密度进一步增加,最终会导致胶子达到饱和状态,而描述强子内部胶子饱和状态的理论为CGC有效场论(Effective Field Theory,EFT)。  在高能极限下(或者小x极限下),对胶子饱和现象的研究一直是高能核物理和粒子物理的前沿课题之一,目前正在美国布鲁海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,BNL)的相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)和欧洲核子中心(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上进行的质子(氘核)-重核(p/d-A)碰撞实验的主要目的之一就是探索和寻找胶子饱和相关的实验证据。在理论上,CGC EFT能够对高能极限下胶子的饱和现象进行很好的描述,并且是一个最适合用来描述高能碰撞初期阶段动力学以及相互作用的理论。所以通过对高能极限下胶子饱和现象的研究,不仅具有本身的理论价值,而且对深入了解重离子碰撞初期阶段夸克和胶子相互作用机制以及研究夸克胶子等离子体(Quark Gluon Plasma,QGP)的产生及性质都具有非常重要的意义。  本学位论文在CGC EFT理论框架下对胶子饱和现象进行了相关的研究,主要包括以下三个部分:  高能碰撞中双胶子的快度关联RHIC和LHC的实验结果显示,两粒子的关联在相对方位角(△φ)和相对快度(△y)平面上具有Ridge结构,具有这种结构的关联又称为两粒子的长程快度关联,关于Ridge的形成与起源一直是近几年高能碰撞领域的研究热点。根据因果律,如果末态的两个粒子具有关联,那么对应的这种关联在碰撞的早期阶段就已经形成。然而,这种关联形成的机制目前还不是很清楚。所以在CGC EFT理论框架下,对碰撞初期阶段中双胶子的快度关联进行了相关的研究,包括双胶子的关联强度与横动量、快度以及方位角之间的依赖关系,并进一步分析与讨论了碰撞核中胶子的饱和度(Qs)以及碰撞中入射核和靶核中动力学区域对双胶子长程快度关联的影响。首先,研究了两胶子的长程快度关联与横动量的依赖关系,结果显示:在两胶子长程快度关联中,横动量的选取与参与碰撞核的饱和度密切相关,只有当两胶子的横动量大小为QsA+QsB时,对应的关联强度最大;低于或高于这个横动量窗口,其关联强度都会变弱,并且这个横动量窗口的宽度与入射核和靶核中非积分胶子分布函数的宽度有关。其次,通过研究入射核和靶核中动力学区域对双胶子长程快度关联的影响,发现只有当入射核和靶核中的相关动力学都处于小x区域,双胶子的长程快度关联才具有Ridge结构,并分析了相对方位角的大小对长程快度关联的影响,结果显示,两个胶子相对方位角的大小并不改变关联在快度间隔上的分布,只会影响关联强度的大小。再次,研究了双胶子的长程快度关联与能量的依赖关系,发现只有在高能低横动量,以保证相关的动力学处于小x区域,这样双胶子的长程快度关联才具有Ridge结构。最后,分析了双胶子产生截面中主要贡献与次要贡献对长程快度关联的影响,结果显示,次要贡献部分对双胶子长程快度关联的贡献很小,并且主要以短程关联为主。  Balitsky-Kovchegov方程的动力学演化以及求解在高能极限下(或者小x),强子内部胶子随着能量(或者x)的演化遵从非线性BK方程。在这一部分,首先介绍了色玻璃凝聚有效理论的基本思想及理论框架,在程函近似下,通过分析夸克和胶子规范场的多重散射及偶极子与胶子规范场多重散射的一阶修正,得到了偶极子散射幅随快度Y(或者x)演化的非线性方程—LO BK方程,然后对BK方程进行了数值求解,并讨论和分析了BK方程中的跑动耦合修正以及初始条件等问题。BK方程中的初始条件与色荷的密度分布有关,在MV模型中,认为色荷的密度非常大,并具有局域高斯分布(色荷的高阶耦合忽略),然而在实际中,质子/核中的色荷密度总是有限,故色荷的高阶耦合不能简单忽略,进而得到了Quartic Action初始条件。通过与MV、AAMQS(MVγ)的对比,分析了色荷的高阶耦合效应对胶子规范场的影响。结果显示:色荷的高阶耦合效应会抑制胶子辐射,并且抑制胶子辐射的程度随色荷密度的增加而减小。  RHIC能区碰撞中末态强子的横动量分布在p/d-A碰撞中,由于A核中胶子的密度非常大,那么胶子的非线性效应在碰撞过程中将会非常重要,通过对末态强子产生的研究,将有助于加深对A核中胶子非线性效应(胶子饱和)的理解与认识。  首先对RHIC能区p/d-A碰撞中末态强子的横动量分布进行了相关的研究,在计算中,采用AAMQS(MVγ)和Quartic Action两种初始条件,研究结果表明:两种初始条件下的理论结果都能对实验数据很好的描述,这也迸一步验证了CGC EFT理论的可靠性和精确性。通过对比两种初始条件下的结果,发现,对于pp碰撞中末态强子横动量的分布,两种初始条件下得到的结果差异很小,而对dAu碰撞,其差异比较明显,具体表现为:Quartic Action初始条件下的结果比AAMQS(MVγ)的偏大。这也进一步说明了Au中色荷的高阶耦合效应对胶子辐射的抑制程度没有AAMQS(MVγ)那么显著。  进一步在CGC EFT理论框架下计算了碰撞能量分别为√s=200和62.4GeV,金-金碰撞中净质子的横动量分布。结果表明:碰撞能量√s=62.4GeV,对于大陕度区域中净质子则不完全是由入射核中的价夸克碎裂而成。
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