【作者】 毛亚显；

【导师】 周代翠； Yves Schutz；

【作者基本信息】 华中师范大学 ， 粒子物理与原子核物理， 2008， 硕士

【摘要】 在现代自然科学研究中，一项极具挑战性的研究目标是在最小尺度上探索物质的构成。一种描述基本粒子与作用力的理论，现在大家称它为标准模型，假定物质的基本结构是由夸克和轻子通过规范粒子的相互作用而组成的，认为组成物质结构的最小单元是夸克（u，d；c，s；t，b）、轻子（e，v_e；μ，v_μ；τ，v_τ），以及传递相互作用力的媒介子，即玻色子（W^±和Z⁰），胶子（g）和光子（γ）。基本作用力根据规范粒子的不同划分为电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用。正是这些基本粒子和相互作用力构建了亚原子世界。然而，这个理论并不十分完备，因为它依然无法解释某些基本的问题，比如：基本粒子质量的起源、宇宙的真实真空、以及宇宙中物质远比反物质多的问题…。随着2008年大型强子对撞机（LHC）的运行，我们有望进一步触及这些问题。特别是，位于欧洲核子研究中心（CERN）的加速器将实现前所未有的TeV能区下的高能重离子碰撞实验（ALICE），其目的在于研究高温高能量密度的极端条件下强相互作用的基本性质及其物理真空。而且，它还将探索基本粒子的夸克胶子自由度问题：夸克胶子等离子体（QGP）。李政道先生早在1974年就提出：“it would be interesting to explore new phenomenaby distributing high energy or high nuclear density over relatively large volumes”。他认为在高能重离子碰撞中热密物质将以QGP的形式存在，那时夸克将不再禁闭在普通强子物质内，而真空中的手征对称性也将得到（部分）恢复。极端相对论重离子物理，作为一个应用标准模型于有限体积复杂演化体系来检验李政道预言的一门学科，因此诞生。基于量子色动力学（QCD），利用格点计算方法，人们成功预言了夸克从禁闭的普通强子物质中退禁闭到QGP相的临界温度。实验上，该临界温度首先在CERN（?）=17．2 GeV下的SPS重离子碰撞实验中达到。进而在美国布鲁海文国家实验室（BNL）运行的质心能量（?）=60-200 GeV下的相对论重离子对撞机（RHIC）实验中，证实了从强子物质到夸克物质的相变能在高温高密条件下发生。通过比较质子-质子碰撞和核-核碰撞的测量结果，一些能够预言QGP形成的探针被找到。例如：SPS能区下的J/（?）压低，奇异粒子产额增强，RHIC能区高横动量粒子谱的压低，反映部分子集体运动效应的椭圆流等。尽管QGP形成的证据尚需更大统计量事例和更高能区实验结果的证实，目前的实验数据分析结果显示，夸克胶子等离子体这种新物质相能够在高温高能量密度下形成，在RHIC上观测到的这种新物质相更多的表现为强相互作用下的理想液体，不同于理论预言的自由气体。CERN／LHC将提供质心系能量（?）=5．5 TeV的重离子碰撞，该能量接近RHIC碰撞能量的30倍，它将允许在更高温度下形成的热密QCD物质持续更长时间。另外，LHC能区的重离子碰撞诱导产生的硬散射过程更加丰富，这些敏锐的硬探针将提供TeV能区下细致研究QGP性质的机会。比如，在核-核中心碰撞中高横动量强子产额的压低和背对背喷注之间的关联消失。正在建造并将于2008年投入运行的ALICE探测器就是为了更加系统的测量核-核碰撞中产生的末态粒子，由此反映碰撞初期出现的热密物质相的性质。特别是，通过测量相空间中强子谱的改变，可以研究硬散射部分子在穿越密度物质时的能量损失效应及碎裂函数性质。在重离子碰撞中，由于喷注淬火效应，硬散射过程产生的大横动量部分子穿越密度物质时会因为多重散射而损失能量，导致高横动量的强子产额减少，低动量强子数目会增多，引起强子谱在相空间中的重新分布。因此，通过测量核环境下部分子的碎裂函数（FF），即测量部分子喷注产生的强子携带喷注动量份额z=p_Th/E_T^jet的分布函数，将真空中的碎裂函数（质子-质子碰撞或核-核边沿碰撞中的碎裂函数）与被介质修正后的碎裂函数（核-核中心碰撞下的碎裂函数）分布进行比较，就可以推断核-核碰撞中的密度物质及其性质。作为ALICE实验的合作者，本论文作者一直致力于ALICE极端相对论重离子碰撞实验中光子探测及物理分析任务的前期研究，为ALICE实验数据分析方法的建立和密度物质性质的探寻贡献了不可缺少的一份力量。本论文主要目的是利用光子-强子的关联测量研究部分子的碎裂函数，即通过测量高能直接光子与散射到光子背面强子之间的关联来研究喷注的碎裂函数。高能直接光子在碰撞初期的硬散射过程中直接产生，主要来自康普顿散射（qg→γq）和湮灭过程（q（?）→γg）。由于光子的平均自由程很大，在碰撞区域内和其他粒子只有电磁相互作用，因此光子携带了它们初始产生时刻的信息。而与该光子产生于同一硬散射过程的部分子会碎裂为末态强子，通过对强子的测量，就能获得部分子在穿越密度物质后的信息。将产生于同一事件中的光子和强子关联，我们就能得到密度物质作用于部分子喷注上的效应。然而，在碰撞中来自强子和中性介子（主要是π⁰和η）的衰变光子是直接光子信号提取过程中的主要背景，因此光子信号的提取在本工作中显得至关重要。在本论文中，我们研究了质心系14TeV下质子-质子碰撞中直接光子-强子的关联分布及真空情形的部分子碎裂函数，该测量作为核-核碰撞中的基线测量是必须的。核-核碰撞中的关联测量及碎裂函数的研究将是本工作的下一步，介质效应可以通过比较两种碰撞系统下的喷注碎裂函数的修正项得到。本论文着重开展如下两方面的工作。首先，研究ALICE实验中光子谱议（PHOS）在探测和鉴别光子时的性能表现。PHOS是一种高能量和位置分辨率的电磁量能器，其接受度范围Δη=0．24，△φ=100°。由于有限的接受度，在碰撞过程中产生的某些光子落在PHOS模块的边缘使得沉积在晶体上的能量不能获得完整的重建，这些光子将不能被PHOS正确探测到。利用ALICE实验模拟和数据分析软件AliRoot进行模拟，我们得到，由于PHOS探测器的边缘效应，光子探测效率会降低约10％。同时，光子在穿越位于PHOS之前的其它探测器时与探测器物质发生相互作用而使光子转换成正负电子对（γ→e⁺e^-）。模拟结果表明，不同探测器对光子探测效率的影响程度不一样。例如，光子在时间投影室（TPC）和内部径迹系统（ITS）的转换几率约为10％，而在跃迁辐射探测器（TRD）和时间飞行探测器（TOF）中的转换几率接近20％。该工作的第二部分，主要聚焦在硬散射过程中的光子-喷注测量，论文着重研究了PHOS对能量高于20GeV的光子的性能表现，以很好的区分硬散射过程产生的直接光子和来自强子衰变的大量背景光子，从而计算直接光子的探测和鉴别效率。为此，我们对ALICE探测器作了完整的模拟，两种类型的事件被产生。一种事件是，在每个碰撞事件的部分子硬散射过程中，一个高能光子产生于康普顿散射过程或湮灭过程，我们称该类型事件为γ-jet事件；另一种情形是，在硬散射过程中两个部分子碎裂成背对背喷注，其中一个部分子碎裂成喷注时产生一个高能π⁰，此过程称为jet-jet事件。两种事件均是通过对AliRoot软件环境中的PYTHIA产生器选择不同的硬散射过程实现。在模拟事件中，我们限制触发粒子γ（在γ-jet中）或π⁰（在jet-jet中）散射在PHOS接受度内。鉴别方法的性能研究表现为直接光子的鉴别效率和衰变光子误判为直接光子的几率。其中鉴别过程分为两步。首先，通过量能器上形成的簇射形状分析，对称的簇射形状标记为直接光子，不对称的椭圆形状表示衰变光子。该方法能够很好的排除衰变光子但对于高能衰变光子不够有效。因此，基于瞬时直接光子的运动学信息，本文探索了孤立截断的方法。在硬散射过程中直接光子的产生是孤立的，与直接光子不同的是，衰变光子将被部分子碎裂的强子包围。利用光子周围的不同强子行为，采用孤立截断方法，我们能够有效的扣除被误判为直接光子的衰变光子，降低污染效率，得到一个相对纯净的直接光子源。利用簇射形状分析和孤立截断方法得到的直接光子，通过建立光子和所有的带电强子之间的方位角关联，我们发现，在γ-jet事件中存在明显的背对背关联，但没有与光子同向的关联。而在jet-jet事件中，同时存在近端（near side）关联和远端（far side）关联。为研究部分子的碎裂函数，我们构造了光子-强子之间的非平衡分布。基于给定的运动学条件，光子背面的强子与光子之间动量的非平衡变量z_γ-h=-（?）_Th·（?）_Tγ／|p_Tγ|²与领头阶运动学条件下QCD理论计算的碎裂变量z等价，这种等价性在如下运动学条件下成立：·所有强子必须源于一个硬散射的部分子碎裂(p_Th>p_Th^cut>>A_QCD)；在核-核碰撞中应排除伴随事件中的软粒子贡献；·直接光子必须是从部分子的硬散射过程中直接产生(p_Tγ>p_Tγ^cut>>A_QCD)，而不是从喷注碎裂而来；·z_γ-h与z的等价范围由给定光子和强子的动量截断值决定。因此，为了得到最大限度的等价性，光子和强子的动量截断值应该是非对称的(p_Th^cut>>p_Th^cut)。实验上，对运动学约束条件的选择也需充分考虑到能够获取数据的统计量以及采用孤立截断方法鉴别直接光子的效率。在ALICE实验中，合理选择光子能量的截断值约为～20 GeV，强子动量的截断尽可能避免软过程区域（p_T<2 GeV／c），在此区域中，碎裂函数主要由伴随事件中的软粒子决定。为了排除软粒子的影响，选取适当的强子动量截断（p_T>2 GeV／c），可以扣除测量过程中的背景粒子，从而减少系统误差。为了证实该测量的有效性，本文进一步估计了在LHC质子-质子运行一年的统计误差以及来自衰变光子污染的系统误差。同时，通过验证研究，证实了非平衡分布是对喷注碎裂函数的一个很好近似，其中喷注的碎裂函数是通过事件产生器PYTHIA中的喷注寻找算子UA1计算理想的碎裂函数得到。结果显示，在（?）=14 TeV的质子-质子碰撞中，采用γ-强子关联方法测量的非平衡分布与部分子喷注碎裂函数在z=0．12-0．75的范围内一致。利用光子-强子关联方法研究碎裂函数，极大的降低了在标准喷注算法下对喷注能量范围的限制，显著提高了事件统计量，增加了观测结果的可信度。因此，光子-强子关联测量是实验上研究碎裂函数的黄金探针，该测量在LHC／ALICE实验上是可行的。更多还原

【Abstract】 With the advent in 2008 of the Large Hadron Collider (LHC), the new accelerator at CERN will collide heavy-ions at unprecedented high energies. Using this experimental facility, the ALICE collaboration will study matter under extreme conditions of energy density opening new avenues for the understanding of fundamental properties of the strong interaction and its vacuum. In particular, it will explore the properties of primordial matter which degrees of freedom are quarks and gluons: the quark-gluon plasma.In the present thesis, I present a contribution to the collaboration wide effort in preparing the challenging task of data analysis and in selecting the most appropriate probes carrying relevant information on the properties of the medium created in ultrarelativistic heavy-ion collisions. I have selected high momentum jets as a tomographic probe of the medium: the observable is the correlation of high-momentum direct photon with hadrons emitted in the opposite direction. In this measurement, often referred to as the golden probe, the direct photon is a measure of the initial energy of the parton, created by the same hard process as the photon in the initial stage of the collision, and the hadrons, being the final state particles of the fragmenting parton, measure the parton after it has traversed the medium.I will report on the first part of my task, namely the validation of the direct-photon - hadron correlation observable in proton-proton collisions. This measurement is mandatory as it will serve as a base line for the same measurement in heavy-ion collisions. Medium effects modifying the jet fragmentation properties will be revealed by comparing the same measurement with the two collision systems. For this purpose, the detection and identification performances of direct photons have been studied in great details. The systematic errors have been evaluated, in particular those due to the large photon background generated by the electromagnetic decay of neutral mesons. The statistical errors have been estimated based on the running condition in a standard operation year of the LHC. All the studies have been performed from Monte-Carlo generated data.I conclude my work by validating, first, the method in providing an accurate measurement of the fragmentation function and, second, by defining under which kinematical conditions the measurement is feasible with ALICE.For completeness, I have discussed the object of my personal work in the general context of our current knowledge on particle physics and in the more particular context of heavy-ion physics.This work was started two years ago with the study of the response of the ALICE photon spectrometer, PHOS, and of its performance with respect to photon identification. During a 4 months stay at CERN as a summer student and great efforts in these two years, I have accomplished most of the work on the correlation studies. The later gave rise to an article which has been submitted to the European Journal of Physics C.更多还原