高能重離子碰撞初態(tài)物理的研究07

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1、高能重離子碰撞初態(tài)物理的研究一高能重離子碰撞簡介一直以來，我們認(rèn)為組成物質(zhì)世界的最基本物質(zhì)是由原子組成的。但隨著近代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人類對微觀世界的探索不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)原子是由處于最中心的帶正電的原子核和它外圍的帶負(fù)電的電子組成的,原子核內(nèi)包括帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子。隨后,通過電子打核子的深度非彈實驗,人們認(rèn)識到這些粒子可能有更基本的組成,這就是夸克和膠子。但是一直以來,人們并不曾觀察到自由存在的孤立夸克。一種自然的解釋是夸克通過相互作用被禁閉在強子里,這種相互作用稱為強相互作用。描述強相互作用的理論-量子色動力學(xué)

2、(QCD)指出所有參與強相互作用的基本粒子都是夸克q和反夸克(q)的束縛態(tài)。在通常條件下,我們所觀察到的QCD物質(zhì)都是以強子氣體形式存在的。有兩種可能打破強子束縛的途徑,一是：將強子物質(zhì)壓縮,即增大核子物質(zhì)密度,使強子口袋相互重疊而破裂,這樣夸克和膠子就能在較大的空間范圍內(nèi)自由運動；另一種方法將系統(tǒng)加熱,使溫度升高到足夠高,真空中會產(chǎn)生很多正反夸克對,大量的夸克膠子發(fā)生激烈碰撞,從而可能形成夸克和膠子在較大范圍內(nèi)運動的狀態(tài)。格點QCD理論預(yù)言,在極高的溫度或者高重子數(shù)密度下,強子物質(zhì)(夸克的禁閉相)會解禁閉形成其解禁閉相——

3、夸克膠子等離子體(QGP)。進一步的數(shù)值計算顯示,在臨界溫度Tc～160MeV(零密度)或物質(zhì)密度5～10倍正常核物質(zhì)密度(零溫度)時會發(fā)生QGP相變。夸克膠子等離子體可能存在于宇宙大爆炸早期階段(很高的溫度)以及中子星(重子數(shù)密度很高)內(nèi)。然而這兩種情況要么發(fā)生在過去,要么距離我們太遙遠(yuǎn),沒有辦法去直接測量。在實驗室,通過電磁場加速,我們讓兩束重離子以高速進行對撞,從而生成能量密度比較高并且壽命比較長的強相互作用物質(zhì),QGP有可能在這種情況下出現(xiàn)。重離子碰撞的主要目的之一就是希望在實驗室條件下達(dá)到QGP相變所需要的高溫高密

4、環(huán)境,研究極端條件下的物質(zhì)性質(zhì)。高能重離子碰撞是具有很高能量的原子核相碰時，形成一個能量密度很高的碰撞區(qū)，入射核和靶核都被高度激發(fā)，而后發(fā)生碎裂，并且隨之產(chǎn)生許多新的粒子的過程。又稱高能重離子反應(yīng)。而通過超高能重離子碰撞，將巨大的動能轉(zhuǎn)化為熱能，形成高溫和高密的極端條件，核物質(zhì)發(fā)生夸克禁閉解除相變，形成夸克膠子等離子體（Quark-GluonPlasma,簡稱QCP）?！　　　　　　　　　　　　　　　　　D１　高能重離子碰撞過程示意圖從上世紀(jì)八十年代開展的美國布魯克海文國家實驗室（BNL）的交變梯度同步加速器（AGS）實驗和

5、歐洲核子研究中心（CERN）的超級質(zhì)子同步加速器（SPS）實驗進行的固定靶實驗，到上世紀(jì)末已經(jīng)開始運行的BNL的相對論重離子對撞機（RHIC）實驗和在2008年運行的CERN的大型強子對撞機（LHC）實驗，被加速的核束流越來越重，束流能量越來越高，末態(tài)能夠達(dá)到的初始能量密度越來越高，粒子多重數(shù)越來越高，這為人類通過加速器實驗探尋到QGP提供了可能性。AGS實驗上并沒有發(fā)現(xiàn)QGP產(chǎn)生的直接證據(jù)，SPS實驗結(jié)果給出了退緊閉相變的一些可能跡象但不足以作出確定性的判據(jù)。RHIC實驗上發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)早期平衡的明顯證據(jù)，并且發(fā)現(xiàn)了強相互作用

6、的QGP物質(zhì)態(tài)——完美流體。這個發(fā)現(xiàn)被李政道博士譽為是“一個歷史性事件”，并且“該物質(zhì)態(tài)在LHC實驗的高能碰撞中也會產(chǎn)生”。那么在如此高能量的核-核碰撞之后，能量又是如何分布的呢？為簡單起見，讓我們考慮在質(zhì)心系中兩個相同核的對頭碰撞。由于在縱向上有顯著的洛侖茲收縮，我們可以用兩個薄圓盤來表示兩個碰撞的核。如果我們只考慮高能的極端情況，則圖像是非常簡單的，這時我們可以忽略核的縱向厚度，同一核中核子的縱向坐標(biāo)都可以近似認(rèn)為是相同的。圖a給出了在質(zhì)心系中兩個核碰撞前的景象，來自于z=－∞且速度接近于光速的入射核B。與來自于z=+∞

7、，速度也接近于光速的靶核A在時空點(z,t)=(0,0)相遇，兩個核中的核子發(fā)生碰撞。每次非彈性核子-核子碰撞都伴隨著的大量的碰撞重子的能量損失。由于重子損失了能量和動量，它們在碰撞后速度就會降低，但當(dāng)能量非常高時（在質(zhì)心系中每核子能量大于100GeV左右），碰撞后減速的重子仍可能有足夠的動量前進，并離開碰撞區(qū)，如圖b所示。其中碰撞后的入射重子物質(zhì)用B′表示，靶核重子物質(zhì)用A′表示，重子損失的能量積累在z=0附近的碰撞區(qū)域，這種能量積累本質(zhì)上是近似可疊加的。因此，當(dāng)碰撞的核物質(zhì)B′和A′在碰撞后彼此離開時，在一個短時間內(nèi)會有

8、大量的能量積累在一個小的空間區(qū)域內(nèi)（圖b），這樣在碰撞區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)具有非常高的能量密度，但凈重子量卻很小。由于早期宇宙的凈重子量是非常小的因此這種可能產(chǎn)生的夸克-膠子等離子體類型在天體物理學(xué)方面具有特別的意義。圖2（a）兩個碰撞核A和B在碰撞前的圖像（b）碰撞后的圖像，能量積累在z～0附近