董 剛

淺談高能重離子碰撞及徑向流

董 剛

徑向集體流是高能重離子碰撞物理學(xué)研究中十分重要的實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量，它能夠把碰撞過(guò)程中壓縮和膨脹階段的部分信息帶到碰撞的末態(tài)，通過(guò)對(duì)徑向流的分析可還原碰撞過(guò)程中的信息。

高能；重離子；碰撞；徑向流

一 高能重離子碰撞物理簡(jiǎn)介

原子核的研究起源于20世紀(jì)初。1911年，盧瑟福著名的α粒子散射試驗(yàn)證實(shí)了原子核的存在，從此原子核的研究開(kāi)始被人們所認(rèn)知。隨著量子理論和實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，人們對(duì)原子核的認(rèn)識(shí)也不斷深入，人們了解了原子核的大小和密度，了解了原子核內(nèi)物質(zhì)的激發(fā)態(tài)、自旋等概念，核能的應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生，這些都離不開(kāi)對(duì)原子核的深入理解和核物理學(xué)的迅速發(fā)展。

高能重離子碰撞物理學(xué)，也稱(chēng)相對(duì)論核—核碰撞物理學(xué)，是20世紀(jì)70年代以來(lái)形成的一個(gè)研究領(lǐng)域，這個(gè)研究領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)介于粒子物理和原子核物理之間的交叉學(xué)科。這一學(xué)科的研究目標(biāo)是在相對(duì)論能量下產(chǎn)生并研究重離子碰撞中可能形成的極端高溫度、高密度核物質(zhì)的性質(zhì)，探索新的核物質(zhì)相。

圖1-1 理論上推測(cè)的核物質(zhì)溫度—密度相圖[1,2]

圖1-1是理論上推測(cè)的核物質(zhì)溫度—密度相圖[1,2]。核物理學(xué)傳統(tǒng)的研究領(lǐng)域僅僅是圖中左下角一個(gè)很小的區(qū)域，這一區(qū)域類(lèi)似于液態(tài)的核物質(zhì)，一般可以用核的液滴模型來(lái)描述。這一區(qū)域分布在ρ～ρ0,T～0MeV附近，這里ρ0=0.15fm-3，是通常條件下核物質(zhì)的密度。在這個(gè)相圖上還有一個(gè)更大的范圍是未知的。根據(jù)理論計(jì)算推測(cè)，隨著溫度的升高，核物質(zhì)將發(fā)生由液態(tài)到氣態(tài)的相變。這種氣體包含核子、π介子以及其它主要強(qiáng)子，一般稱(chēng)之為強(qiáng)子氣體。在溫度Tlt;20MeV，ρlt;ρ0時(shí)，核物質(zhì)的液氣相變就能夠發(fā)生。在更高的密度(ρ～3-5ρ0)和相對(duì)低的溫度下，核物質(zhì)將呈晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)凝聚相。在極端高密度(ρ～5-10ρ0)和高溫度(T～150-200MeV)條件下，可能出現(xiàn)強(qiáng)子物質(zhì)到夸克—膠子等離子體的消禁相變[3,4]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生并研究處于這種極端條件下核物質(zhì)的性質(zhì)，可以檢驗(yàn)這些理論預(yù)言。

在人工產(chǎn)生極端條件下核物質(zhì)之前，人們只能依賴(lài)那些非常有限和稀有的天然事件，因?yàn)橹挥性谟钪嫔渚€中能觀察到大于20 AMeV的重離子束[5,6]。測(cè)量這些天然重離子反應(yīng)涉及到的技術(shù)復(fù)雜性強(qiáng)烈地限制了事件記錄的數(shù)目，這極大地制約了高能重離子物理學(xué)的發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代中期，伴隨著重離子加速器的產(chǎn)生，人們擁有了在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展重離子碰撞實(shí)驗(yàn)的重要手段。那時(shí)，美國(guó)LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)實(shí)驗(yàn)室的Bevalac加速器已經(jīng)能夠把重離子加速到每核子具有上百個(gè)MeV甚至超過(guò)一個(gè)GeV的入射能量。人們最初把這一能量范圍稱(chēng)為相對(duì)論能區(qū)，但隨著加速器能量的逐步提高，相對(duì)論能區(qū)的概念也已經(jīng)日益翻新。目前，正在運(yùn)行的位于美國(guó)BNL(Brookhaven National Laboratory)實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)已經(jīng)把這一能量范圍的上限提高到了200GeV的水平。隨著這些高能重離子加速器的出現(xiàn)，使人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下探索高溫度、高密度、高壓力等極端條件下核物質(zhì)的性質(zhì)成為了可能，為系統(tǒng)地研究高能核物理提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)這種高溫度、高壓力條件下核物質(zhì)的性質(zhì)的探究，不僅對(duì)了解核物理學(xué)中夸克-膠子等離子體QCD相變等問(wèn)題十分重要，還對(duì)天體物理學(xué)中超新星爆發(fā)和中子星結(jié)構(gòu)等問(wèn)題的解決也起到關(guān)鍵作用[7-10]，從而引起了物理學(xué)界的廣泛興趣。對(duì)這一領(lǐng)域的深入研究，使核物理學(xué)、粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)等學(xué)科交織在一起，形成了相對(duì)論重離子碰撞物理學(xué)。

一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)論核-核碰撞過(guò)程可以分為四個(gè)階段。第一階段為初始階段，此時(shí)入射核被加速到一定的入射能量，但入射核與靶核尚未發(fā)生實(shí)質(zhì)性的接觸，這時(shí)入射核與靶核均處于基態(tài)，屬于入射核加速階段，它們的性質(zhì)可以由核物理傳統(tǒng)理論來(lái)描述；第二階段為壓縮階段，入射核和靶核開(kāi)始有實(shí)質(zhì)性的接觸，發(fā)生相互作用，在其重疊的區(qū)域形成了高溫度、高密度核物質(zhì)，這是我們最為關(guān)注的階段；第三階段是膨脹階段，被壓縮的核物質(zhì)向外擴(kuò)展，核物質(zhì)的密度由于膨脹而逐漸變小，這一過(guò)程中，有可能發(fā)生液氣相變及多重碎裂；碰轉(zhuǎn)過(guò)程的最后階段是實(shí)驗(yàn)觀察階段，這時(shí)碰撞物質(zhì)由最初的兩個(gè)核轉(zhuǎn)化成大量的末態(tài)粒子和碎片，探測(cè)器記錄的就是這些末態(tài)產(chǎn)物的信息。

在整個(gè)的核-核碰撞過(guò)程中，我們要研究的是壓縮和膨脹階段所建立起來(lái)的極端高溫、高密度的核物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)制和性質(zhì)，但這個(gè)階段時(shí)間很短，在實(shí)驗(yàn)上無(wú)法直接測(cè)量和分析這一階段的核物質(zhì)，只能由實(shí)驗(yàn)中的末態(tài)可觀測(cè)量來(lái)間接地加以推測(cè)。然而，有關(guān)碰撞最密集階段的大部分信息基本上都在末態(tài)時(shí)淹沒(méi)了，如何找到對(duì)碰撞早期和中間演化過(guò)程敏感的末態(tài)可觀測(cè)量就成為該研究領(lǐng)域中首要的問(wèn)題。對(duì)此，人們進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)探索，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和理論的發(fā)展，強(qiáng)度干涉學(xué)、集體流分析和各種模型理論等研究工具，從不同的角度，用不同的方法，分別探索了高能重離子反應(yīng)的機(jī)制和激發(fā)核物質(zhì)的性質(zhì)。

90年代初在美國(guó)LBNL實(shí)驗(yàn)室的Bevalac加速器產(chǎn)生的0.25-1.2 AGeV的Au+Au碰撞，和90年代中期在BNL實(shí)驗(yàn)室AGS加速器產(chǎn)生的2.0-8.0 AGeV的Au+Au碰撞進(jìn)行徑向流研究，以期獲得徑向流激發(fā)函數(shù)，即徑向流隨入射束能量的變化關(guān)系。

二 集體膨脹和徑向流

核物質(zhì)集體流是近30年來(lái)實(shí)驗(yàn)上與理論上都非常感興趣的研究課題之一。早在上世紀(jì)末，人們就已經(jīng)在高能重離子對(duì)心碰撞中發(fā)現(xiàn)了徑向集體膨脹。對(duì)于一個(gè)處于完全熱平衡態(tài)的粒子系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)應(yīng)是完全無(wú)規(guī)則的隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的傾向性或有序性。

而對(duì)于不是處于完全熱平衡的粒子系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)某種整體的傾向性，也就是在粒子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)之上還要疊加一個(gè)整體有序運(yùn)動(dòng)，人們通常把這種系統(tǒng)內(nèi)粒子整體的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)之為“流”(flow)。

通過(guò)核流體動(dòng)力的計(jì)算，可以得出當(dāng)兩個(gè)重核以相對(duì)論能量發(fā)生激烈的對(duì)頭碰撞時(shí)，相互作用區(qū)域的核物質(zhì)被壓縮和加熱，形成高溫度、高密度狀態(tài)，形成核物質(zhì)的沖擊波，碰撞后這種壓縮階段形成的這種壓縮勢(shì)能將轉(zhuǎn)化為膨脹階段核物質(zhì)的動(dòng)能，動(dòng)能的釋放是各向同性的，也就出現(xiàn)了橫向的集體運(yùn)動(dòng)。如圖1-2所示，這種集體運(yùn)動(dòng)可以分為三種類(lèi)型，即徑向流(radial flow)、側(cè)向流(sideward flow)和橢圓流(elliptic flow)。

圖1-2 高能重離子碰撞中核物質(zhì)集體流示意圖

1979年，P. J. Siemens和J. O. Rasmussen兩位作者，在比較碰撞末態(tài)單舉π介子譜與質(zhì)子譜時(shí)，首次提到了核物質(zhì)的這種集體膨脹。接下來(lái)，H. Stocker等人在1981年也對(duì)這種集體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，但是，他們

并沒(méi)有給出明確的解釋。直至1984年，R. Backmann等人考慮到π介子譜與質(zhì)子譜之間的差異主要表現(xiàn)為源的溫度不同，從而提出了雙溫度假設(shè)。雙溫度假設(shè)給集體膨脹效應(yīng)提供了另外一種解釋?zhuān)谏w了集體膨脹效應(yīng)在單舉譜分布中所起到的作用，人們?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)不再研究集體膨脹，對(duì)集體膨脹的研究也就告一段落。

到了1991年，H. W. Barz等人在對(duì)入射束能量為50-80 AMeV和200-220 AMeV的36Ar+Ag/Br和16O+Ag/Br反應(yīng)的研究中，又對(duì)集體膨脹效應(yīng)進(jìn)行了研究。1992年在對(duì)心碰撞事件中發(fā)現(xiàn)，碎片的質(zhì)心系平均動(dòng)能隨著碎片所帶電荷的增加而增加，這是用多溫度源所不能解釋的，從而肯定了碰撞碎片沿著徑向做集體膨脹運(yùn)動(dòng)，并正式引入了徑向流的概念。此后，徑向流被廣泛地進(jìn)行了研究。在相對(duì)論核-核碰撞的末態(tài)，徑向流攜帶了有關(guān)爆炸源在膨脹階段的重要信息。1998年，俄羅斯的D. Yu. Peressounko提出，徑向流的強(qiáng)弱可以作為QGP相的檢測(cè)信號(hào)。因此，集體徑向流的研究對(duì)于了解高溫高密核物質(zhì)的性質(zhì)和探測(cè)QGP有著重要的意義。

目前，相對(duì)論核—核碰撞物理學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)重要的前沿研究領(lǐng)域之一。高能重離子反應(yīng)中集體流的產(chǎn)生機(jī)制和輕質(zhì)量碎片的形成，是研究集體流的熱點(diǎn)。徑向集體流的研究與這兩種現(xiàn)象都有密切的聯(lián)系，所以，如能對(duì)其做進(jìn)一步的分析和深入研究就有可能得到碰撞過(guò)程中的更多信息，為探索高溫高密核物質(zhì)提供重要的研究線索。

三 對(duì)徑向流的認(rèn)識(shí)

徑向集體流是高能重離子碰撞物理學(xué)研究中十分重要的實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量，它能夠把碰撞過(guò)程中壓縮和膨脹階段的部分信息帶到碰撞的末態(tài)。徑向流的產(chǎn)生是由于源中壓力梯度的存在而使壓縮勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化。對(duì)徑向流的細(xì)致分析可以對(duì)高能重離子反應(yīng)的最激烈階段的特征有所了解，還可以提供有關(guān)源的重要物理信息—凍結(jié)溫度。

雖然EOS實(shí)驗(yàn)和E895實(shí)驗(yàn)是在兩個(gè)不同能區(qū)的加速器上做的重離子碰撞實(shí)驗(yàn)，但由于這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了同一臺(tái)探測(cè)器(EOS TPC)，所以在粒子鑒別、分辯率、接收度和探測(cè)效率等方面都有很大的可比性。因此通過(guò)對(duì)這兩個(gè)能區(qū)的徑向集體流進(jìn)行系統(tǒng)和比較分析，獲得隨著入射束能量的增加，凍結(jié)溫度和膨脹速度的變化趨勢(shì)，即流激發(fā)函數(shù)，就有了一定的實(shí)際意義。

[1] 張景波.RHIC能區(qū)重離子碰撞中的空間——?jiǎng)恿筷P(guān)聯(lián)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

[2] 馮啟春.RHIC能區(qū)橢圓流演化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[3] 王曉影.1.2A GeV Au+Au 碰撞中末態(tài)庫(kù)侖作用對(duì)徑向流分析的影響[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

[4] 唐圭新.高能重離子碰撞中粒子發(fā)射源的玻色-愛(ài)因斯坦關(guān)聯(lián)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

ClassNo.:O571.6DocumentMark:A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)

AnalysisofCollisionsandRadialFlowofEnergeticHeavy-ion

Dong Gang

Radial flow can provide the important observed data of energetic heavy-ion collision in physical experiment, it can bring the part of information produced in the process of contracting and expanding to the end of collision, so analyzing the radial flow can reproduce the information of collision process.

energetic, heavy-ion, collision, radial flow

董剛，講師，大興安嶺職業(yè)學(xué)院，黑龍江·大興安嶺。研究方向：物理課堂教學(xué)。郵政編碼：165000

1672-6758(2011)04-0059-2

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