超高能誘發(fā)核反應(yīng)中的光子與μ子探針研究.pdf

1、探尋物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量起源，是物理學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，已開展了大量的理論研究工作和高能實(shí)驗(yàn)工作。超高能誘發(fā)核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)主要包括超高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)和(超)高能宇宙線測量實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)相互作用理論一量子色動(dòng)力學(xué)(Quantum Chromo-Dynamics，簡稱QCD)預(yù)言，在高溫或高密極端條件下，有可能產(chǎn)生退禁閉的夸克膠子等離子體(Quark—Gluon Plasma，簡稱QGP)。QGP有可能在系統(tǒng)碰撞后的極短瞬間存在，然后系統(tǒng)迅速膨脹并冷卻

2、到QCD相，最后演化成實(shí)驗(yàn)上觀測到的末態(tài)粒子。依據(jù)“大爆炸(Big Bang)”理論，早期宇宙在大爆炸后極快的瞬間有可能發(fā)生從QGP相到QCD相的相交，然后經(jīng)過迅速演化到現(xiàn)在這樣的宇宙形態(tài)。因此，人類開展了超高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)，被加速的核束流越來越重，束流能量越來越高，末態(tài)能夠達(dá)到的初始能量密度越來越高，粒子多重?cái)?shù)越來越高。這為人類期望在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生“小爆炸(Little Bang)”提供了可能性。另外，大型的高能宇宙線測量實(shí)驗(yàn)也在或即將

3、開展，人們希望通過直接探測來自天體的宇宙線粒子，來解答宇宙線的起源及其加速機(jī)制，從而尋找宇宙天體間的相互作用和宇宙演化的答案。 QCD相變和IQGP形成的理論預(yù)言導(dǎo)致了超高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)。但由于QGP只在極短的時(shí)間(～1 fm/c量級(jí))內(nèi)存在，再加上復(fù)雜的核物質(zhì)效應(yīng)的影響，使得準(zhǔn)確測定QGP存在的各種信號(hào)，成為目前和將來超高能重離子碰撞實(shí)驗(yàn)的主要研究方向。其中，產(chǎn)生于碰撞初期的電磁信號(hào)(光子和雙輕子信息)，由于不受末態(tài)強(qiáng)相互作

4、用的影響，是較為“干凈”的QGP信號(hào)。它們攜帶有系統(tǒng)早期行為的信息，能提供碰撞末態(tài)火球演化早期過程中溫度最高時(shí)，與QGP產(chǎn)生相關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。因此，電磁信號(hào)被認(rèn)為是探尋QGP存在及其性質(zhì)研究的重要探針。在高能宇宙線測量實(shí)驗(yàn)方面，同樣由于電磁信號(hào)具有的這些特性，γ線和μ子及其中微子也是研究宇宙線起源及其加速機(jī)制的重要探測手段。本文研究了超高能誘發(fā)核反應(yīng)中的光子與μ子探針及其探測和宇宙線大氣簇射模擬。 論文的第一章為超高能誘發(fā)核

5、反應(yīng)的簡介，主要涉及超高能誘發(fā)核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的背景、歷史與現(xiàn)狀，超高能誘發(fā)核反應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)、軟物理和理論模型，以及理論預(yù)言的QGP存在的一些可能信號(hào)。 論文的第二章詳細(xì)闡述了超高能誘發(fā)核反應(yīng)中的光子和μ子物理以及在這方面取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。光子可以在系統(tǒng)各個(gè)不同的階段產(chǎn)生。產(chǎn)生于QGP中的光子，其產(chǎn)率和動(dòng)量分布與QGP中夸克、反夸克和膠子的動(dòng)量分布有關(guān)，而它們又由QGP的熱力學(xué)性質(zhì)決定。因此，QGP中產(chǎn)生的光子能很好反映它們產(chǎn)生那一時(shí)刻

6、系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)信息。雙輕子不變質(zhì)量分布的變化與系統(tǒng)初始夸克分布的變化近似，因而人們可以通過確定雙輕子譜來確定QGP的初始溫度。本章對光子和雙輕子的產(chǎn)生機(jī)制分別進(jìn)行了詳細(xì)的理論闡述，并給出在超高能誘發(fā)核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中光子和μ子方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)實(shí)驗(yàn)，將會(huì)產(chǎn)生比美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(BNL)的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)實(shí)驗(yàn)上密度更熱、體積更大和壽命更長的系統(tǒng)，為QGP的形成

7、和QCD相變信號(hào)的探測提供了有利的條件。LHC運(yùn)行時(shí)將在大型重離子對撞實(shí)驗(yàn)(ALICE)探測裝置區(qū)碰撞s=14 TeV的質(zhì)子束流和、sNN=5.5 TeV的鉛束流。ALICE上的光子譜儀(PHOS)具有良好的能量分辨率和位置分辨率，可以直接探測碰撞中產(chǎn)生的光子信號(hào)。 論文第三章對ALICE實(shí)驗(yàn)及其PHOS探測器作了簡單介紹，然后詳細(xì)敘述了ALICE/PHOS探測器的觸發(fā)選判機(jī)制方面的模擬研究?；贏liROOT軟件環(huán)境，利用PY

8、THIA和HIJING模型分別對LHC能區(qū)下p-p和Pb+Pb碰撞進(jìn)行蒙特卡羅模擬，然后結(jié)合PHOS探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)和物理需求，估算ALICE/PHOS探測器的探測效率和兩種不同碰撞模式下的觸發(fā)率。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)：觸發(fā)效率隨著被探測粒子的橫動(dòng)量的增大而呈指數(shù)衰減，并由于觸發(fā)區(qū)域單元(TRU)的邊界影響會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)效率下降約4％。在PHOS探測器的接受度范圍(｜η｜≤0.13，△ρ=100°)內(nèi)，在p—p無偏差碰撞中單舉光子事件在1 GeV/c

9、處的觸發(fā)率可以達(dá)到約13 kHz；對于Pb+Pb碰撞，直接光子事件在5 GeV/c處的觸發(fā)率只有幾個(gè)Hz。本章開展的工作對于LHC/ALICE實(shí)驗(yàn)中光子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觸發(fā)、判選與存儲(chǔ)以及前端電子學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等具有直接的參考和指導(dǎo)意義。阻抗板室(RPC)探測器以其良好的時(shí)間分辨率和空間分辨率，且制作簡單，價(jià)格便宜等特點(diǎn)，在超高能誘發(fā)核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用十分廣泛。 論文第四章對多讀出條RPC探測器的讀出信號(hào)和串?dāng)_信號(hào)進(jìn)行了PSpice模

10、擬研究。依據(jù)RPC探測器的工作原理，本章提出RPC探測器的電子學(xué)計(jì)算模型，并基于該模型對多讀出條RPC探測器的讀出信號(hào)和串?dāng)_信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的電子學(xué)仿真研究。模擬結(jié)果和宇宙線測試數(shù)據(jù)在讀出信號(hào)幅度、相對串?dāng)_信號(hào)幅度和波形方面表現(xiàn)一致，并且模擬結(jié)果出現(xiàn)和理論與實(shí)驗(yàn)上相符的“Transparency”現(xiàn)象。RPC探測器的研制不僅對CERN/LHC具有重要意義，而且對其它高能實(shí)驗(yàn)物理的研究也具有重要意義。本章給出的電子學(xué)計(jì)算模型和定性結(jié)論劉RPC

11、探測器在高能物理實(shí)驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。宇宙線的起源及其加速機(jī)制是宇宙線物理研究中未被解決的問題。這些問題的的解答，有助于人們對宇南及其起源有更深入的理解。另外，在氣候、電子制造和生物學(xué)等領(lǐng)域，高能宇南線與物質(zhì)的相互作用給這些領(lǐng)域帶來的影響也引起了人們的關(guān)注。因此，人們開展了一系列與高能宇宙線相關(guān)的理論研究和大型宇宙線測量實(shí)驗(yàn)。其中，計(jì)算機(jī)蒙特卡羅模擬是定量研究宇宙線大氣簇射的最簡單有效的方法之一。 論文第五章詳細(xì)介紹本文

12、基于Geant4環(huán)境開發(fā)的地球大氣簇射模擬(EASS)軟件包。EASS模型分別引入IGRF和Tsyganenko模型來描述地球內(nèi)、外源場，其計(jì)算的磁場截止剛度與Shea-Smart理論計(jì)算值的平均相對誤差為4.5％。EASS模型采用美國出版的“標(biāo)準(zhǔn)大氣模型”數(shù)據(jù)對大氣層進(jìn)行精確定義?；贓ASS模型，本章對高能宇宙線大氣簇射過程的能量分布、徑向分布和橫向分布進(jìn)行了模擬研究。這些方面的研究能給我們提供宇宙線空間分布和原初宇宙線粒子能量等相

13、關(guān)的信息，通過EASS還可以定量研究地球磁場對大氣簇射的影響?；贓ASS模型的模擬結(jié)果與理論或?qū)嶒?yàn)結(jié)果一致，可以適用于地球大氣簇射模擬。EASS模型相比于其它的宇宙線模型，主要特點(diǎn)是精確定義的大氣層模型、地球內(nèi)外磁場模型、完備的物理過程和升級(jí)靈活的模塊化程序設(shè)計(jì)。通過EASS模型還可以方便的研究地球磁場對地球大氣簇射過程的影響。本章開展的工作能有效的幫助人們研究宇宙線大氣簇射物理，并對高能宇宙線測量實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)作用。 論文的第

14、六章為本文的總結(jié)。 論文的附錄對超高能誘發(fā)核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的軟物理研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，從上世紀(jì)八十年代開展的BNL上交變梯度同步加速器(AGS)實(shí)驗(yàn)和CERN上的超級(jí)質(zhì)子同步加速器(SPS)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的固定靶實(shí)驗(yàn)，到上世紀(jì)末已經(jīng)開始運(yùn)行的BNL/RHIC實(shí)驗(yàn)和將于2008年運(yùn)行的CERN/IMC實(shí)驗(yàn)。附錄詳細(xì)論述了軟物理涵蓋的碰撞幾何、粒子產(chǎn)生、關(guān)聯(lián)與起伏、集體膨脹和強(qiáng)子化這五個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，并對LHC上軟物理的前景進(jìn)行了展望