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《高能重离子碰撞初态物理的研究07》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、高能重离子碰撞初态物理的研究一高能重离子碰撞简介一直以来，我们认为组成物质世界的最基本物质是由原子组成的。但随着近代科学技术的不断发展,人类对微观世界的探索不断深入,人们发现原子是由处于最中心的带正电的原子核和它外围的带负电的电子组成的,原子核内包括带正电的质子和不带电的中子。随后,通过电子打核子的深度非弹实验,人们认识到这些粒子可能有更基本的组成,这就是夸克和胶子。但是一直以来,人们并不曾观察到自由存在的孤立夸克。一种自然的解释是夸克通过相互作用被禁闭在强子里,这种相互作用称为强相互作用。描述强相互作用的理论-量子色动力学
2、(QCD)指出所有参与强相互作用的基本粒子都是夸克q和反夸克(q)的束缚态。在通常条件下,我们所观察到的QCD物质都是以强子气体形式存在的。有两种可能打破强子束缚的途径,一是：将强子物质压缩,即增大核子物质密度,使强子口袋相互重叠而破裂,这样夸克和胶子就能在较大的空间范围内自由运动；另一种方法将系统加热,使温度升高到足够高,真空中会产生很多正反夸克对,大量的夸克胶子发生激烈碰撞,从而可能形成夸克和胶子在较大范围内运动的状态。格点QCD理论预言,在极高的温度或者高重子数密度下,强子物质(夸克的禁闭相)会解禁闭形成其解禁闭相——
3、夸克胶子等离子体(QGP)。进一步的数值计算显示,在临界温度Tc～160MeV(零密度)或物质密度5～10倍正常核物质密度(零温度)时会发生QGP相变。夸克胶子等离子体可能存在于宇宙大爆炸早期阶段(很高的温度)以及中子星(重子数密度很高)内。然而这两种情况要么发生在过去,要么距离我们太遥远,没有办法去直接测量。在实验室,通过电磁场加速,我们让两束重离子以高速进行对撞,从而生成能量密度比较高并且寿命比较长的强相互作用物质,QGP有可能在这种情况下出现。重离子碰撞的主要目的之一就是希望在实验室条件下达到QGP相变所需要的高温高密
4、环境,研究极端条件下的物质性质。高能重离子碰撞是具有很高能量的原子核相碰时，形成一个能量密度很高的碰撞区，入射核和靶核都被高度激发，而后发生碎裂，并且随之产生许多新的粒子的过程。又称高能重离子反应。而通过超高能重离子碰撞，将巨大的动能转化为热能，形成高温和高密的极端条件，核物质发生夸克禁闭解除相变，形成夸克胶子等离子体（Quark-GluonPlasma,简称QCP）。 图１ 高能重离子碰撞过程示意图从上世纪八十年代开展的美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的交变梯度同步加速器（AGS）实验和
5、欧洲核子研究中心（CERN）的超级质子同步加速器（SPS）实验进行的固定靶实验，到上世纪末已经开始运行的BNL的相对论重离子对撞机（RHIC）实验和在2008年运行的CERN的大型强子对撞机（LHC）实验，被加速的核束流越来越重，束流能量越来越高，末态能够达到的初始能量密度越来越高，粒子多重数越来越高，这为人类通过加速器实验探寻到QGP提供了可能性。AGS实验上并没有发现QGP产生的直接证据，SPS实验结果给出了退紧闭相变的一些可能迹象但不足以作出确定性的判据。RHIC实验上发现了系统早期平衡的明显证据，并且发现了强相互作用
6、的QGP物质态——完美流体。这个发现被李政道博士誉为是“一个历史性事件”，并且“该物质态在LHC实验的高能碰撞中也会产生”。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？为简单起见，让我们考虑在质心系中两个相同核的对头碰撞。由于在纵向上有显著的洛仑兹收缩，我们可以用两个薄圆盘来表示两个碰撞的核。如果我们只考虑高能的极端情况，则图像是非常简单的，这时我们可以忽略核的纵向厚度，同一核中核子的纵向坐标都可以近似认为是相同的。图a给出了在质心系中两个核碰撞前的景象，来自于z=－∞且速度接近于光速的入射核B。与来自于z=+∞
7、，速度也接近于光速的靶核A在时空点(z,t)=(0,0)相遇，两个核中的核子发生碰撞。每次非弹性核子-核子碰撞都伴随着的大量的碰撞重子的能量损失。由于重子损失了能量和动量，它们在碰撞后速度就会降低，但当能量非常高时（在质心系中每核子能量大于100GeV左右），碰撞后减速的重子仍可能有足够的动量前进，并离开碰撞区，如图b所示。其中碰撞后的入射重子物质用B′表示，靶核重子物质用A′表示，重子损失的能量积累在z=0附近的碰撞区域，这种能量积累本质上是近似可叠加的。因此，当碰撞的核物质B′和A′在碰撞后彼此离开时，在一个短时间内会有
8、大量的能量积累在一个小的空间区域内（图b），这样在碰撞区产生的物质具有非常高的能量密度，但净重子量却很小。由于早期宇宙的净重子量是非常小的因此这种可能产生的夸克-胶子等离子体类型在天体物理学方面具有特别的意义。图2（a）两个碰撞核A和B在碰撞前的图像（b）碰撞后的图像，能量积累在z～0附近
