Study of Heavy Flavours from Muons Measured with the ALICE Detector in Proton-Proton and

446 Pages·2017·27.92 MB·English

by  X. Zhang

Numéro d’ordre : DU 2240 PCCF T 1201
EDSF : 714
CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY
UNIVERSITÉ BLAISE PASCAL
P H D T H E S I S
présentée pour obtenir le grade de
DOCTOR OF UNIVERSITY
Spécialité : Physique Corpusculaire
Par
Zhang
Xiaoming
Study of Heavy Flavours from
Muons Measured with the ALICE
Detector in Proton–Proton and
Heavy-Ion Collisions at the
CERN-LHC
defended on May 23, 2012
Jury :
Rapporteurs: B. Erazmus - CNRS, CERN, Genève
G. Martinez Garcia - CNRS, SUBATECH, Nantes
Examinateurs: X. Cai - CCNU, Wuhan
H. Chen - USTC, Hefei
Y. Ma - SINAP, Shanghai
Directeurs de thèse: N. Bastid - LPC, Clermont-Ferrand
P. Crochet - LPC, Clermont-Ferrand
D. Zhou - CCNU, Wuhan

分类号 密级
U D C 编号

博 士 学 位 论 文

题目：LHC/ALICE 实验向前区
重夸克物理的研究

张 晓 明
学 位 申 请 人 姓 名:

全日制博士
申请学位学生类别:
申请学位学科专业: 粒子物理与原子核物理

周代翠 教授
指 导 教 师 姓 名:
菲利普•胡克 资深研究员

妮可•巴斯蒂 教授

博士学位论文

LHC/ALICE 实验向前区重夸克物理的研究

论文作者：张晓明
指导教师：周代翠 教授
菲利普•胡克 资深研究员
妮可•巴斯蒂 教授
学科专业：粒子物理与原子核物理
研究方向：高能重离子碰撞实验

华中师范大学物理科学与技术学院
2012 年 5 月
Dissertation

Study of Heavy Flavours from Muons
Measured with the ALICE Detector in
Proton-Proton and Heavy-Ion
Collisions at the CERN-LHC

By
Xiaoming Zhang
Supervisors: Pr. Daicui Zhou
Dr. Philippe Crochet
Pr. Nicole Bastid
Specialty: Particle Physics and Nuclear Physics
Research Area: Heavy-Ion Collision Experiment

College of Physical Science and Technology
Central China Normal University
May 2012
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日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

摘要
宇宙中的可见物质是由那些基本粒子组成的？这些基本粒子间的相互作用又
有那些特性？一直是人类不断探寻自然界奥秘的过程中试图解决的最基本也是最
关键的问题。
标准模型告诉我们，宇宙中所有的可见物质都是由夸克和轻子构成的，不同
种类的玻色子（如光子，胶子等）用以传播它们之间不同种类的相互作用。夸克
和轻子被统称为基本粒子。传播相互作用的玻色子被称为规范粒子。通过 Higgs机
制，Yang-Mils 场中的规范粒子通过吃掉由真空对称性破缺而产生的 Goldstone 粒
子而获得质量。与此同时，规范粒子和基本粒子间的 Yukawa耦合使得基本粒子也
获得了其在物理真空中的质量（由于对不同基本粒子质量的测量和定义方法不
同，其在物理真空中质量的名称也不同，对于夸克，在不太严格的条件下，其在
物理真空中的质量可以笼统的称为流质量）。基于标准模型，普通的强子（如构
成原子核的质子和中子）都是由夸克组成的，胶子用以传播夸克间的强相互作
用。夸克和胶子又被统称为部份子。体现强相互作用的荷被称为色荷。类比于描
述电磁相互作用的量子电动力学，用以描述强相互作用的理论被称为量子色动力
学（另外，弱相互作用中的荷被称为味荷，早期也存在量子味动力学用以描述弱
相互作用，但后来被并入电弱统一理论中）。
众所周知，在量子电动力学中，由于涨落而产生的极化，物理真空可被视为
电介质。而在量子色动力学（QCD）中，由于胶子所存在的自相互作用，物理真
空中同时存在着色荷的极化和反极化，在通常条件下，其总体效应使得物理真空
等价于色导体。与电导体内部不存在净电荷向相对应，在可被视为色导体的物理
真空中也不存在自由的色荷。部份子（夸克和胶子）被“囚禁”在强子之中。这一
特性被称为色禁闭或夸克“囚禁”。同时，色禁闭也解释了为何到目前为止，在通
常条件下从未明确观测到自由的部份子。从另一角度，可以做如下推想：当空间
中的色荷距离越来越近，无论是色极化或色反极化都将越来越弱，而在物理真空
中出现自由的部份子。也就是说，不同于电磁相互作用和弱相互作用，强相互作
用是随着部份子间的距离减小而减弱的，而当部份子间的距离增大时强相互作用
会增强。强相互作用的这一特性已在理论上被 QCD 耦合常数对虚度的依赖性的研
究所证实，而且随后的大量实验观测也完全符合并肯定了这一理论结论。不仅如
此，格点量子色动力学（lQCD）进一步预言了在极端高温和/或高重子数密度的条
件下，将发生由普通强子物质相到退禁闭的夸克－胶子－等离子体（QGP）相的
强相互作用相变。而且，基于 lQCD的计算，在低重子数密度的条件下，退禁闭相

i
变还会伴随着手征对称性的恢复，及在生成的 QGP 内，微扰真空会向物理真空回
归，而夸克在强子内的组份质量也会回归到其在物理真空内的流质量。目前，退
禁闭的 QGP 物质被认为存在于大爆炸后约 1s的早期宇宙，而且现在还存在于中
子星内部。基于上述结论，对 QGP 特性的研究，不仅对掌握强相互作用的性质以
及宇宙中可见物质的质量产生机制起到非常关键的作用，而且还有助于了解早期

宇宙及其演化。因此，对退禁闭相变过程和 QGP 物质特性的研究已成为当前高能
物理领域最重要的前沿课题。
高能重离子碰撞是在实验室条件下实现退禁闭相变的唯一途径。在碰撞过程
中，首先，两个入射原子核被加速到接近于光速，然后进行碰撞并把它们的绝大
部分能量沉积在碰撞区域，使得碰撞区域内具有超高的能量密度而达到发生退禁
闭相变的条件，从而在碰撞区域内产生自由的夸克和胶子，及 QGP 物质。随着
QGP 系统的膨胀，其内部温度也迅速降低，而使整个体系回到强子相（强子气）
然后形成末态所能观测到的各种粒子。在过去的 30 年中，一系列重离子加速器如
SPS，AGS 和 RHIC 先后被建造，并获得了丰富的实验证据表明 QGP 物质相的存
在。其中具有代表性的有：
1. SPS能区，
a. 奇异粒子产额的增强以及低质量共振态分布的修正，被解释为手征
对称性在退禁闭物质相中的恢复而使得奇异夸克在 QGP 物质中产生阈
值的降低;
b. J/粒子产额的压低，被认为是粲夸克偶素（cc ）在 QGP 物质里的
色 Debye屏蔽势的作用下熔解而导致的；
2. RHIC能区，
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a. 光子产额的增高，体现了退禁闭的 QGP物质的热辐射；
b. 椭圆流对组份夸克数的标度性，揭示了部份子在 QGP 内的热化自由
度；
c. 高横动量强子谱的压低以及背对背喷注关联的减弱，反映了高横动
量部份子在穿越 QGP 物质时，与 QGP 介质发生强相互作用而引起的能
量损失。
以上结果充分表明了 QGP 物质的存在，对于当前的研究而言，所面临的问题
便是对其特性进行系统而深入的研究。
基于此目的，位于欧洲核子研究中心（CERN）目前世界上最大的大型强子对
撞机（LHC）于 2009 年底正式运行，并在 2010 年底首次获取了两体质心能量为
s 2.76 TeV的铅－铅碰撞数据。在 LHC 能区，由于其高出在 RHIC 能区（两
NN

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