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高能重离子碰撞中的夸克产生律. 谢去病 山东大学 第十届粒子物理、核物理和宇宙学交叉学科前沿问题研讨会 三亚 2011.12.18. p+p,p+A,e+e,e+p,e+A,A+A,…. 高能非弹反应都产生大量各种各样强子 h.h 由各种结构夸克 q 构成 . 因此 : 1) 这些反应按什么规律产生这些 q? ( 反应机制及 夸克产生律 ) 2) 这些 q 怎样变成观察到的各种 h? ( 强子化机制 或模型 , 如夸克组合律 ) 它们是与夸克禁闭 ,QCD 真空直接相关的非微扰 QCD 过程

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Presentation Transcript
slide1
高能重离子碰撞中的夸克产生律

谢去病

山东大学

第十届粒子物理、核物理和宇宙学交叉学科前沿问题研讨会 三亚2011.12.18

slide2
p+p,p+A,e+e,e+p,e+A,A+A,….高能非弹反应都产生大量各种各样强子h.h由各种结构夸克q构成.因此:p+p,p+A,e+e,e+p,e+A,A+A,….高能非弹反应都产生大量各种各样强子h.h由各种结构夸克q构成.因此:

1) 这些反应按什么规律产生这些q?

(反应机制及夸克产生律)

2) 这些q怎样变成观察到的各种h?

(强子化机制或模型,如夸克组合律)

它们是与夸克禁闭,QCD真空直接相关的非微扰QCD过程

,至今只能靠与实验的互动来进行探索.反过来,对不同反应不同能量下普适的夸克产生及强子化机制的研究,也是对夸克禁闭QCD真空的探索.

汇报从e+e中夸克产生律,扩展到A+A时产生的问题,恳请得到大家的帮助.

前言

p p p k p
(一).夸克产生律的提出及在早期p+p, +p, k+p, + 反应中的检验

<n>为何不与 成正比?

<n>是隨 按对数还是幂指数关系增加?

1978 提出一个简单夸克产生律,对此前p+p 、 +p.k+p 的<n>随质心总能的变化作了很好解释--<高能物理与核物理>Vol.3,No.5;

1988 将上述产生律用到e+e反应对此前各能量下的<n>,<h>等等作了很好解释—Phys.Rev.D38.2169(1988)

slide5

Quark production rule in e+e h,s

非饱和势模型

m-新生夸克的平均质量,约0.36GeV,

是产生律中唯一待定的普适参数,

通过具体分析

与Q ,及<N>与

关系,即可得实验

并得

=3.6

直接比较的

slide7
(二). 夸克产生律在A+A反应的推广

重离子A+A,如Au+Au,Pb+Pb,不象e+e或p+p,..,是很多核子构成的庞杂系统,不同中心度,多次踫撞…推广可能吗?

都是产生夸克,应有基夲的共同规律,但它的这种共性表现在哪里?

RHIC的实验能给我们什么启示?

glauber model a w s n n p p b
Glauber Model假定:A中核子密度为W-S分布,N直綫踫N,截面为该能量下的p-p非弹截面.由此可得踫撞参数b时参加踫撞的核子数< >

A

A

b

Woods-Saxon distribution

< >/2个N-N基元

slide13

PHOBOS实验结果显示,A+A踫撞等效于< /2>个类似e+e的N+N基元反应,每个基元反应中的粒子产生,只取决于基元反应的有效能 . 根据我们的非饱和势模型,就可给出整个A-A踫撞产生的强子化前平均夸克数(包括反夸克)< > 与碰撞能量及中心度的依赖,即重离子碰撞环境下夸克的产生律:

夸克产生律,仍然仅包含一个参数—相互作用平均势 (或 )。

slide14

一句话,RHIC和LHC的实验发现,A+A可视为< >/2个独立N+N基元(它不同于p+p)反应的总和.

只要给出A+A碰撞的质心能量 及碰撞中心度< > ,由夸克产生律即可给出产生的夸克数,再根据夸克组合律就可以计算出各种强子的产额与分布。

结果表明,由夸克产生律和组合律给出的平均带电粒子多重数对碰撞能量及中心度的依赖关系与实验符合很好。

详见: Feng-lan Shao,Tao Yao,Qu-bing

Phys.Rev.C75:034904,2007

slide15

Charged-particle rapidity density in Au+Au collisions in a quark combination model

F.L.Shao,T.Yao and Q.B.Xie, PRC75,034904(2007)

slide16

同样取常数3.6 时理论与RHIC能区实验的比较

slide17

LHC能区的最新实验结果

arXiv:1107.1973v1 [nuvl-ex] 11 Jul 2011

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(三).目前存在的主要问题

1).PHOBOS的结果很引人,但很难理解.其起点Glauber Model虽从A+A几何啚象出发,但其结果根夲无法与几何啚象联系.

2).把产生律只用到每个N+N,使非饱和势可能合理存在,但仍无法证明它产生的夸克定域在 QGP內一个小空间内.

3).这一切是纯系巧合?还是值得深究的入口?

4).能否得到LHC能区实验的进一步支持与发展?

slide23

Outline

一. 什么叫强子化

二. 有没有QGP

三. 如何检验QGP

四. 夸克怎样强子化

五. 三类强子化模型

六. 总结

23

slide24
一.什么叫强子化?

高能踫撞发现近千种强子(做梦都想不到的厐大"基夲粒子"世界).

从这些强子静态性质得到强子的夸克模型:用u,d,s,c,b,t三代夸克及其反粒子描写了几乎所有的强子。

只看到强子看不到夸克。夸克禁闭(解释物质强子层次"组成"与"可分"的对立)。

夸克“色”量子数的引入,量子色动力学(QCD)的产生。

粒子物理的标准模型

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Hadronization

高能踫撞必先产生各种夸克。

夸克如何强子化成各种各样的强子?

强子化过程不仅出现于任何高能反应,而且是与夸克禁闭、QCD真空结构等一系列重大理论问题直接相关的非微扰QCD过程。 -------其研究是当代物理中一个基本又艰巨课题

slide26
二.有没有QGP这种新物态?(夸克胶子等离子体)

如果宇宙大爆炸理论正确,宇宙的早期就应该是QGP.

如果QCD理论的格点模型予言正确,高能核踫撞的高温高密条件下,就应产生QGP.

因此,通过高能核踫撞证实QGP的存在,是验证粒子物理和宇宙学现有理论的重大任务.

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Imagination is more important than knowledge

想象力比知识更重要

愛因斯坦

slide32

重离子碰撞的各个能区

17GeV

200GeV

2.76TeV

6GeV

AGS

RHIC

SPS

LHC

.........

数据丰富

研究较少

研究较多

刚刚开始

Onset of deconfinement

NA49 Collaboration

STAR Beam energy scan program

slide33
三.如何验证QGP的存在?

夸克胶子只能通过转化为强子观察到,怎么证明观察到的强子来自QGP?

相撞初期夸克q或胶子g硬碰产生大橫动量旳强子Jet,q或g穿越QGP与核物质能量埙失大不相同—hard probe.

踫撞产生的大量热强子是否来自QGP中夸克的强子化?

slide34

(1) high jets

(2) thermal photons

(3) Thermal hadrons

slide36
四. 夸克如何强子化?

We produce "free" partons in high energy collisions like e++e-, e+p, p+p, A+A.

HOW?

Partons in the final state have to be converted into hadrons.

Non-Perturbative QCD

slide37

“强子化”是指高能反应中出现的末态夸克(或胶子)“强子化”是指高能反应中出现的末态夸克(或胶子)

如何转化为实验能观察的各种强子。

Can we learn about the parton phase from a theory of hadronization?

如何研究它?

其机制至今只能以唯象模型与实验的互动研究进行探索。

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String hadronization model

五. 三类不同的强子化模型:

Lund 弦碎裂:

B. Anderson, G. Gustafson, G. Ingelman, and T. Sjostrand, Parton Fragmentation andString Dynamics, Phys. Rep. 97(1983), 31.

由于它镶入能用于各种粒子反应的GENERATER:JETSET和PYTHIA,受到广泛使用,被称为强子化的“标准模型”。

slide40

Webber集团碎裂:

B. R. Webber, A QCD model for jet fragmentation including soft gluon interference, Nucl.Phys.B, 283(1984), 492; G.Marchesini and B. R. Webber, Simulation of QCD jets including soft gluon interference,Nucl.Phys.B, 238(1984), 1.

Cluster hadronization model

slide41

夸克组合机制:

V. V. Anisovich and V. M. Shekhter, Quark model for multiparticle and inclusive reactions, Nucl. Phys. B 55 (1973),455.; J. D. Bjoken and G. R. Farrar, Particle ratios in energetic hadron collisions, Phys. Rev.D 9 (1974), 1449.

Qu-Bing Xie, Xi-Ming Liu, Phys.Rev. D38, 2169 (1988); Zuo-tang Liang and Qu-bing Xie, Phys. Rev. D43, 751 (1991); Qun Wang, Qu-Bing Xie, Zong-Guo Si; Inter. J. Mod. Phys., A11, (1996) 5203; Zong-Guo Si, Qu-Bing Xie, Qun Wang; Commun. Theor. Phys., 28 , (1997) 85.

slide42

hadronic phase

and freeze-out

QGP and

hydrodynamic expansion

initial state

pre-equilibrium

hadronization

三类模型都经受住了e +e − → 强子等实验的检验,表明这些实验还不能对其作出取舍、判别。

重子产生机制是试金石

Hadronization of Bulk Partonic Matter

Studying hadronization

mechanism

Exploring QGP Matter

slide44

PRL98,162301(2007), STAR

KET =mT -m

Perfect scaling for all measured hadrons

Difference in baryon and meson v2.

slide45

RHIC 上的组合强子化模型

R. Hwa, C. B. Yang, Fries, Muller, Nonaka, Bass …. (Recombination )

C.M. Ko, L. W. Chen D. Molnar, Voloshin ….. (Coalescence)

T.S. Biro, P. Levai, Zimanyi …. (ALCOR )

Q. B. Xie, F. L. Shao, and T.Yao ….. (SDQCM )

slide47

RHIC 上的组合强子化模型

  • Quark recombination model(夸克重组模型)
  • Oregon group, R. C. Hwa and C. B. Yang, e.g. Phys. Rev. C 70, 024904 (2004)
  • Duke group, R. J. Fries, B. Muller, C. Nonaka, S. A. Bass, e.g. Phys. Rev. C 68, 044902 (2003)
  • Parton coalescence model (部分子融合模型)
  • V. Greco, C. M. Ko, P. Lévai, e.g. Phys. Rev. C 68, 034904 (2003)
  • Lie-Wen Chen and Che Ming Ko, Phys. Rev. C 73(2006), 044904

单举描述

遍举描述

  • SDQCM : Quark Combination Model (ShanDong group)
  • Q. B. Xie, F. L. Shao, Y. Tao, see, e.g. Phys. Rev. C 71, 044903 (2005); 75, 034904 (2007)
  • ALCOR:Algebra coalescence rehadronization model
  • J. zimányi, T. S. Biró, T. Csörgő, P. Lévai, see, e.g. Phys. Lett. B 347, 6 (1995)

其它,基于transport, variation, statistic 等方法

( See Ravagli&Rapp, PLB 655,126; Miao&Gao&Zhuang, PRC 76, 014907; W.Cassing, PRC78,034919;

A.Alala,PRC77,044901; R.Abir,PRC80,051903)

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SDQCM

A . 夸克产生律

slide50

Quark combination rule and symmetry

B. 夸克组合律

near correlation in phase space

slide52

W.Han, S.Y.Li, Y.H.Shang, F.L.Shao, T.Yao, Phys. Rev. C 80, 035202 (2009)

F.L.Shao, Q.B.Xie, Q.Wang, Phys. Rev. C 71, 044903 (2005)

T.Yao,W.Zhou, Q.B.Xie, Phys. Rev. C 78, 064911 (2008)

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Quark combination model in h’s

色单态系统:

组合规则:

快度近关联

快度均匀分布

快度愈接近,意味着两者之间的相对运动愈慢,即相互作用时间愈长,总来得及等 处于色单态形成介子。

B

M

M

M

M

衰变

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SDQCM at RHIC

Combination rule:

Near correlation in rapidity

Momentum distributions

of quarks

The smaller the difference in rapidity for two(three) quarks, the longer is the interaction time. So there is enough time for a to be in a color singlet and form a meson(baryon).

decay

final

hadron

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slide55

●Baryon, meson and exotic hadron production in RHIC

中小横动量区各种强子的产额、重子介子比、快度谱、横动量谱、椭圆流、关联、涨落等性质

F.L.Shao, Q.B.Xie and Q. Wang, PRC 71, 044903 (2005);F.L.Shao,T.Yao and Q.B.Xie, PRC75,034904(2007); Tao Yao, Wei Zhou, and Qu-Bing Xie,PRC.78.064911(2008); H.W.Zhao, W Han, J. Song and F.L.Shao,IJMPA,25,985(2010);W. Han, S.Y. Li, F.L.Shao, et al PRC 71, 044903 (2009); …….

●Energy scan of hadron production

Hadron production by quark combination in central Pb + Pb collisions at 158 AGeV

C.N.Shao, J.Song,F.L.Shao and Q.B.Xie,PRC 80,014909(2009);

Hadron yield correlation and constituent quark degree of freedom in heavy ion collisions

R.Q.Wang, J.Song, F.L.Shao, Z.T.Liang and Q.B.Xie arXiv:1004.1469v1

Hadronic Rapidity Spectra in Heavy Ion Collisions at SPS energies in a Quark Combination Model

L.X. Sun, R.Q. Wang, J. Song and F.L. Shao, arXiv:1105.0577

● Entropy puzzle in quark recombination process

J. Song, Z.T. Liang Y.X. Liu, F.L.Shao and Q. Wang PRC 81, 057901 (2010)

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六. 总结

只有强子化的夸克组合模型可解释重离子碰撞的热强子实验.

它佐证了强子化的夸克组合机制,也佐证了QGP的存在.

QGP的性质和产生的相变点仍待研究.

强子化模型的普适性及动力学机制研究仍任重道远.

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好奇心

想象力

坚韧性

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Charged-particle rapidity density in Au+Au collisions in a quark combination model

F.L.Shao,T.Yao and Q.B.Xie, PRC75,034904(2007)

slide67

Productions of hadrons, pentaquarks Θ+ and Θ∗++ , and di-baryon (ΩΩ)0+ in relativistic heavy ion collisions by a quark combination model

F.L.Shao, Q.B.Xie and Q. Wang PRC 71, 044903 (2005)

AuAu 200 GeV 中心碰撞

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Charm hadron production in relativistic heavy ion collisions within a quark combination model

Tao Yao, Wei Zhou, and Qu-Bing Xie,PhysRevC.78.064911(2008)

slide71

Exotic hadron production in a quark combination model

W. Han, S.Y. Li, F.L.Shao, et al PRC 71, 044903 (2009)

slide72

Effects of hadronization and resonance decay on charge balance function in HIC

J. Song, F. L. Shao and Z. T. Liang

实验上观测的电荷平衡函数

STAR PRL90,172301(09);

PLB690,239(10)

PRC82, 024905 (10)

反映系统演化的性质,如强子化时间的早晚和粒子间作用的局域性质、检验强子化机制

S.A.Bass, etal PRL85,2689(00);

Du&Li&Liu PRC75, 021903 (07) ;

Li&Li&Wu PRC80, 064910 (09) ;

slide73

yw=1

yw=1,2,3,4

ini_h

pT -integrated

AuAu 200 GeV

结论: 相空间近关联的夸克组合强子化不破坏系统的电荷局域平衡性质。

slide74

Hadron production by quark combination in central Pb + Pb collisions at 158 AGeV

C.N.Shao, J.Song,F.L.Shao and Q.B.Xie,PRC 80,014909(2009)

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=

Hadron yield correlation and constituent quark degree of freedom in heavy ion collisions

R.Q.Wang, J.Song, F.L.Shao, Z.T.Liang and Q.B.Xie arXiv:1004.1469v1

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Entropy puzzle in quark recombination process

J. Song, Z.T. Liang Y.X. Liu, F.L.Shao and Q. Wang PRC 81, 057901 (2010)

(1) The Gibbs-Duhem Relation

(2) Entropy from microscopic definition

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R >1 as x > 2.5–3.0

~

系统温度的下降和体积的增加,可以保证组合过程不违背熵增原理

slide80

Summary and outlook

  • QCM can describe hadron production in heavy ion collisions from SPS to RHIC.
  • Apply QCM to LHC to test the universality of the hadronization mechanism.

谢谢大家!

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“强子化”是指高能反应中出现的末态夸克(或胶子)如何转化为实验能观察的各种强子。由于支配它的非微扰量子色动力学(NPQCD)远未解决,至今只能用实验结果参数化的“碎裂函数”[1,2]或唯象模型来描写。这不仅使包括夸克禁闭、QCD真空结构等一系列重大理论问题无从揭示,也“强子化”是指高能反应中出现的末态夸克(或胶子)如何转化为实验能观察的各种强子。由于支配它的非微扰量子色动力学(NPQCD)远未解决,至今只能用实验结果参数化的“碎裂函数”[1,2]或唯象模型来描写。这不仅使包括夸克禁闭、QCD真空结构等一系列重大理论问题无从揭示,也

使新现象、新物理的探索很难摆脱“强子化”带来的不确定性。因此,从各类高能反应研究“强子化”机制,是当代物理中一个最基本又很艰巨的课题。

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Quark combination model

Combination rule:

Near correlation in rapidity

Momentum distributions

of quarks

The smaller the difference in rapidity for two(three) quarks, the longer is the interaction time. So there is enough time for a to be in a color singlet and form a meson(baryon).

decay

final

hadron

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Hadronization of Bulk Partonic Matter  Coalescence

Partons at hadronization

have a v2

 Collectivity

Deconfinement !

Quark Coalescence – (ALCOR-J.Zimanyi et al, AMPT-Lin et al,

Rafelski+Danos, Molnar+Voloshin …..)

Quark Recombination – (R.J. Fries et al, R. Hwa et al)