相对论重离子碰撞中的自旋与手征动力学研究

论文摘要

在宇宙大爆炸模型中,夸克-胶子等离子体（QGP）可能存在于早期宇宙的演化过程中。在过去的二?几年,物理学家们利用欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）和美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）进行高能原子核碰撞实验,最终制造出了夸克-胶子等离子体新物质形态。研究夸克-胶子等离子体的特性是相对论重离子碰撞实验的主要目的之一,其中粒子的自旋极化与一系列的部分子手征反常效应是目前高能物理研究的热点。早期与夸克、强子自旋极化相关的理论指出,在非对心重离子碰撞中,部分子将沿系统总角动量的方向发生自旋极化并在强子化后引起强子的自旋极化。例如,Lambda超子与反Lambda超子的自旋极化在一定程度上就分别由奇异夸克和反奇异夸克的自旋极化决定。STAR实验合作组通过RHIC研究了不同金金碰撞能量下的Lambda与反Lambda超子的自旋极化,实验结果发现粒子的自旋极化随碰撞能量的增加而减小,并且发现反Lambda超子与Lambda超子的自旋极化会产生劈裂。后续的理论与物理模型计算也验证了自旋极化的能量依赖性,但并未对自旋极化劈裂有深入的研究。在相对论重离子碰撞中,旁观者质子会产生很强的电磁场,QGP在强电磁场作用下,可能会产生一系列的手征反常效应。STAR实验合作组也一直在探测相对论重离子碰撞中的手征反常效应,但由于各种各样的背景,实验数据的分析结果并不足以支撑手征反常效应存在的可靠性与真实性。因此,利用输运模型研究相对论重离子碰撞中的自旋和手征动力学就显得尤为重要。在本文中,我们拓展了多相输运（AMPT）模型,用手征动力学方程描述无质量部分子在矢量势下的演化。基于该输运模型,我们研究了在旁观者质子贡献的磁场以及夸克-反夸克矢量相互作用下,不同种类的夸克与反夸克的自旋极化。与在真空中的磁场下得到的结果相比,考虑QGP对外磁场的响应得到的部分子的自旋极化劈裂效应更强,但同时奇异夸克和反奇异夸克的自旋极化也敏感于夸克-反夸克矢量相互作用,所以可以由Lambda超子和反Lambda超子的自旋极化劈裂程度间接测度相对论重离子碰撞中产生的磁场的强度这一观点也就受到了挑战。另外,STAR实验合作组在RHIC质心系能量为7.7GeV时,发现Lambda超子与反Lambda超子的自旋极化会产生很大的劈裂,但是在该能量下,基于目前的部分子的动力学输运模型,我们根本没有办法得到可以与实验结果比拟的自旋极化劈裂。除了夸克与反夸克的自旋极化外,我们还基于拓展后的AMPT模型研究了质心系能量为200GeV时的非对心金核-金核碰撞中的反上夸克和上夸克以及π-介子和π+介子的椭圆流的差异。由于初始的部分子相空间分布中速度和坐标的关联,我们在可得到的统计内,通过线性拟合得到的反上夸克和上夸克的椭圆流差异关于电荷不对称度的斜率是负的。此外,质心系能量为200GeV时,考虑QGP对外磁场的响应时得到的反Lambda超子与Lambda超子的自旋极化劈裂比实验大,后者与我们在真空中的磁场下得到的自旋极化劈裂的结果更一致。考虑到磁场、夸克-反夸克相互作用、强子化、以及强子相演化的不确定性,直接将实验上观测到的椭圆流差异关于电荷不对称度的斜率是正值的原因归结于手征磁波效应是不可信服的。我们在拓展后的AMPT模型里加入的磁场的时空演化目前是相对完善的,而且我们自恰地将夸克-反夸克相互作用势放入了部分子输运模型中,考虑了该矢量势对自旋和手征动力学的影响。在研究正负电荷粒子的椭圆流差异与电荷不对称度的关系时,我们分析了碰撞过程中不同阶段的结果。综合来说,我们基于现有理论框架比较完整地研究了在磁场和夸克-反夸克矢量势作用下相对论重离子中的自旋与手征动力学。

论文目录

摘要

abstract

第1章引言

1.1 相对论重离子碰撞中的自旋极化介绍

1.1.1 重离子碰撞中粒子自旋极化的理论研究

1.1.2 重离子碰撞中粒子自旋极化的实验探测和物理模型模拟

1.2 相对论重离子碰撞中的手征反常效应介绍

1.2.1 手征磁效应

1.2.2 手征分离效应

1.2.3 手征电分离效应

1.2.4 手征涡旋效应

1.2.5 手征磁波和手征涡旋波

1.3 本章总结

第2章自旋和手征动力学研究的理论框架

2.1 多相输运（AMPT）模型介绍

2.1.1 传统的多相输运模型

2.1.2 经过扩展的多相输运模型

2.2 无质量部分子的手征动力学运动方程

2.3 真空和非真空中的真实磁场

2.3.1 真空中真实磁场的计算方法

2.3.2 非真空中的真实磁场的计算方法

2.4 本章总结

第3章相对论重离子碰撞中真实磁场的计算结果

3.1 原子核厚度为零且真空情形下的真实磁场的计算结果

3.2 原子核为有限厚度情形下的真实磁场的计算结果

3.3 三种不同情形下磁场计算结果的对比

3.4 本章总结

第4章相对论重离子碰撞中Λ和（?）自旋极化的差异

4.1 磁场的时空演化

4.2 不同种类夸克自旋极化的时间演化

4.3 部分子相冻出阶段奇异夸克与反奇异夸克自旋极化的快度依赖性

4.4 本章总结

第5章相对论重离子碰撞中椭圆流劈裂的电荷不对称度依赖性

NN)^1/2)=200GeV的非对心金核-金核碰撞中磁场的时空演化'> 5.1 质心系能量为((s_NN)^1/2)=200GeV的非对心金核-金核碰撞中磁场的时空演化

5.2 电荷不对称度的事件分布

5.3 部分子相中椭圆流劈裂的电荷不对称度依赖性

5.4 强子相中椭圆流劈裂的电荷不对称度依赖性

NN)^1/2)=200GeV的非对心金核-金核碰撞中不同种类夸克的自旋极化'> 5.5 质心系能量为((s_NN)^1/2)=200GeV的非对心金核-金核碰撞中不同种类夸克的自旋极化

5.6 本章总结

第6章总结与展望

参考文献

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 韩章柱

导师: 徐骏

关键词: 相对论重离子碰撞,自旋极化,椭圆流,手征反常

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

分类号: O571.6

总页数: 113

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