RHIC 200 GeV金核金核对撞中直接与非直接D~0介子产生的测量

论文摘要

量子色动力学（QCD）是一种描述夸克与胶子之间强相互作用的理论。通常条件下,这种强相互作用会把夸克和胶子束缚在强子内部,这种现象被称为色禁闭。然而,当夸克与胶子之间的交换动量不断增加,或者它们之间的距离不断减小时,夸克和胶子之间的强相互作用将渐渐变弱。格点QCD的计算预测了一种新的物质状态,即在极高温度和极高密度下,夸克和胶子会从强子内部解禁闭。这种新的物质状态,被称为夸克-胶子等离子体（QGP）。QGP通常被认为存在于宇宙大爆炸后的数毫秒。而实验上,高能重离子对撞是用来创造和研究QGP的独一无二的工具。相对论重离子对撞机（RHIC）和大型强子对撞机（LHC）是目前世界上仍在运行的两个重离子对撞机,它们为我们在实验室寻找QGP并研究其性质提供了绝佳的机会。重味夸克,包括粲夸克和底夸克,被认为是研究QGP性质的一种理想探针。首先,因为它们的质量很大,重味夸克的热产生被抑制,而主要是通过碰撞初期的硬散射产生。因此,重味夸克的总产额与碰撞的初始状态紧密相关,并且可以用微扰QCD计算。其次,重味夸克产生后会经历QGP演变的整个过程。当它们穿过QGP时,它们会与QGP介质发生弹性和非弹性碰撞,并因此而损失能量。特别的,理论预测这种能损与夸克自身的质量有关,即越重的夸克损失的能量越少。系统的研究粲夸克和底夸克的产生对理解这种能量损失的机制起着至关重要的作用。再次,因为QGP的温度以及夸克与QGP之间的相互作用均远小于重味夸克的质量,重味夸克在QGP内部的运动可以近似认为是“布朗”运动。重味夸克的运动方程可以通过随机Langevin方法求解,并以空间扩散系数为特征。重味夸克在低横动量区间的测量可以用来约束这个扩散系数。最后,尽管重味夸克的热产生被印制,但重味夸克强子化而形成的重味强子的相对比例却可能被QGP改变。系统的研究末态的各种重味强子可以帮助理解高能重离子碰撞中重味夸克的强子化机制。近年来,RHIC和LHC都利用硅像素探测器在重味强子的测量上取得了巨大成就。最近对D0介子的测量结果表明,它在高横动量区的核修正因子以及低横动量区的椭圆流均与轻夸克相似,这表明在RHIC和LHC最高能量时,粲夸克可能会在QGP介质中热化。下一阶段的重味夸克项目将重点关注底夸克的精确测量以及重味夸克对之间的关联。我们已经观测到部分子能量损失的质量依赖,但是为了定量评估辐射能损和碰撞能损所占的比例,有必要对重离子碰撞中底夸克的产生进行更精确详细的测量。由于底夸克的质量约是粲夸克质量的3倍,底夸克的产生为测量重味夸克扩散系数提供一种更干净的探针。另外,底夸克的总产额将进一步帮助精确解释重离子碰撞中γ的测量结果。本篇论文报告了200 GeV金核金核对撞中D0介子产生的精确测量。通过分析STAR用2014年新安装的重味径迹探测器（HFT）收集的数据,我们可以通过强子衰变道D0→K-π+来拓扑重建D0不变质量。经过效率修正,我们得到了低至pT=0 GeV/c的D0横动量谱和核修正因子。结合STAR最近测得的其它粲强子（∧c+,D+和Ds+）的横动量谱,我们计算了200 GeV金核金核对撞中粲夸克在中心快度区的总截面,计算结果与200 GeV质子质子碰撞中测得的粲夸克产生截面一致。为了检验新的D0测量结果,我们还分析了201 1年没有HFT时收集的数据,2014年没用HFT参与收集的数据,以及2016年使用HFT收集的数据,并且都得到了一致的结果。本篇论文还报告了200 GeV金核金核对撞中非直接产生的D0介子的首次测量。在RHIC能区,底夸克产生截面很小,并且底强子的单个强子衰变道很低,因此,我们很难像重建D0介子那样拓扑的重建底强子的不变质量。但是,得益于HFT提供出色的位置分辨率,我们可以通过拟合D0径迹到碰撞顶点的最小距离（DCA）的分布,从总的D0产额中提取出来自于底强子衰变的贡献。因为底强子的寿命比D0长,非直接产生的D0的DCA分布比直接产生的D0的DCA分布要宽。通过结合分析2014年和2016年HFT参与采集的数据,我们得到了中心度和横动量依赖的非直接产生的D0介子的比例以及核修正因子。与总的D0介子相比,测量结果暗示非直接产生的D0介子的能量损失更小,这符合理论预测的能量损失的质量依赖。另外,本篇论文估计了未来sPHENIX实验利用大面积硅像素探测器对200 GeV金核金核对撞中D0介子和B介子产生的测量精度。通过完整的GEANT模拟得到sPHENIX探测器的性能分布并作为输入,我们采用一种快速的混合蒙特卡罗方法,计算了在0<pT<10 GeV/c区间直接和非直接产生的D0介子的核修正因子和椭圆流的统计误差,以及在0<pT<10 GeV/c区间B+介子不变质量重建的显著度。通过B+的模拟结果,我们预测了sPHENIX实验对总的底夸克产生截面的测量精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• Chapter 1 Introduction
•   1.1 Standard Model
•   1.2 Quantum Chromodynamics
•     1.2.1 The running coupling
•     1.2.2 The quark masses
•     1.2.3 Quark-gluon plasma
•   1.3 Relativistic Heavy-ion Collisions
•     1.3.1 Space-time evolution
•     1.3.2 Experimental observables
•   1.4 Open Heavy Flavor Measurements
•     1.4.1 Motivation
•     1.4.2 Overview of recent measurements
• Chapter 2 Experimental Setup
•   2.1 The Relativistic Heavy Ion Collider
•   2.2 STAR detector
•     2.2.1 Time Projection Chamber
•     2.2.2 Time Of Flight detector
•     2.2.3 Heavy Flavor Tracker
• 0 Measurements in Au+Au Collisions at （?）=200 GeV'>Chapter 3 Inclusive D⁰ Measurements in Au+Au Collisions at （?）=200 GeV
•   3.1 Data Sets and Event Selections
•   3.2 Centrality
•     3.2.1 Luminosity dependence
• z dependence'>    3.2.2 υ_zdependence
•     3.2.3 VPD triggering inefficiency
•     3.2.4 Systematic uncertainties
•     3.2.5 Centrality summary
•   3.3 Track Selections and Particle Identifications
•     3.3.1 Track selections
•     3.3.2 Particle identifications
•   3.4 Analysis Details with 2014 HFT Data
•     3.4.1 Topological cuts tuning
•     3.4.2 Raw yields
•     3.4.3 Double counting estimation
•     3.4.4 Efficiency corrections
•     3.4.5 Systematic uncertainties
• 0 mean lifetime measurement'>    3.4.6 D⁰ mean lifetime measurement
• 0 Cross Check with Different Data Sets'>  3.5 D⁰ Cross Check with Different Data Sets
•     3.5.1 Analysis with 2011 and 2014 TPC data
•     3.5.2 Analysis with 2016 HFT data
•   3.6 Results and Discussions
• 0 yields in p_T,φand y'>    3.6.1 D⁰ yields in p_T,φand y
• 0 yields and total charm cross-sections'>    3.6.2 Integrated D⁰ yields and total charm cross-sections
• 0/D⁰ ratios'>    3.6.3 D⁰/D⁰ratios
•     3.6.4 Collectivity
•     3.6.5 Nuclear modification factors
• 0 Measurement in Au+Au Collisions at（?）=200 GeV'>Chapter 4 Non-prompt D⁰ Measurement in Au+Au Collisions at（?）=200 GeV
•   4.1 Data Sets, Event and Track Selections
•   4.2 Raw Yields
•     4.2.1 Topological cuts tuning
•     4.2.2 Raw yields
• 0 Separation'>  4.3 Prompt and Non-prompt D⁰Separation
•     4.3.1 Data-driven simulations
•     4.3.2 Template fits
•   4.4 Efficiency Corrections
•   4.5 Systematic Uncertainties
•     4.5.1 Raw yield extractions
• AA'>    4.5.2 B-meson R_AA
•     4.5.3 PID methods
• T cuts'>    4.5.4 Daughter p_Tcuts
•     4.5.5 Topological cuts
•     4.5.6 Summary
•   4.6 Results and Discussions
• 0 fractions'>    4.6.1 Non-prompt D⁰fractions
• 0 RAA'>    4.6.2 Non-prompt D⁰RAA
• Chapter 5 Summary and Outlook
•   5.1 Summary
•   5.2 Outlook
• 0 in 50-80% centrality at STAR'>    5.2.1 Non-prompt D⁰ in 50-80% centrality at STAR
•     5.2.2 Open bottom simulation for sPHENIX
• Bibliography
• Acknowledgements
• Publications

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈小龙

导师: 李澄,张一飞,董昕

关键词: 夸克胶子等离子体,能量损失,底强子,总的,非直接,核修正因子,椭圆流,截面

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O572.33

总页数: 139

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