相对论重离子碰撞中奇异夸克动力学的实验研究

Searching for onset of deconfinement or QCD critical point is the focus topic of Beam Energy Scan (BES) program in the Relativistic Heavy-Ion Collider at BNL. RHIC achieves exciting science results during the Phase-I of BES, such as the non-monotonic behavior of net-proton Kurtosis or direct flow as a function of the collision energy. The data indicate rich physics of QCD phase diagram. From our side, we propose to carry out a dedicate study on strange quark dynamics in the experiment as its mass is close to the QCD critical temperature, thus will be another sensitive probe of QCD phase transition. We do analyze the Omega and Phi production in STAR BES phase-I experiment. We found that the ratios of Omega/Phi as a function of transverse momentum fall on a consistent trend at high collision energy (√sNN ≥19.6 GeV) but start to show deviation in lower energy (√sNN <19.6 GeV). No conclusive answer on QCD critical point is reached due to the limited statistics in data. The Phase-II of BES program is proposed and plans to take data in RHIC 2019 and 2020 year running. It will be an excellent opportunity to improve the Omega, Phi measurement and study the QCD phase structure, which is the main content of this proposal.

寻找QCD物质相变信号是相对论重离子对撞机（RHIC）能量扫描实验的主要科学目标。RHIC于2010-2011年运行的能量扫描一期实验取得了突出的成绩，例如观测到净质子数高阶矩、直接流随着碰撞能量的非线性行为，揭示QCD相图丰富的物理。奇异夸克由于其质量接近于QCD相变临界温度，是研究QCD相结构的另一个重要探针。我们在RHIC能量扫描一期实验中对奇异强子开展了细致的研究，实验数据Omega/Phi产额比率在质心系下每核子对能量 ≥19.6 和 <19.6GeV的结果表现出明显的差别，预示着19.6GeV可能接近于相变区域。由于实验数据精度所限，尚无法给出明确答案。计划于2018年底开始的能量扫描二期实验将在质心系下每核子对能量为7-20GeV之间采集高统计样本数据，寻找QCD临界点。我们将参加该实验并通过Omega，Phi产额的高精度测量，研究QCD相结构。

相对论重离子碰撞实验的主要目标是研究极端条件下的强相互作用物质，目前的主要研究方向则是QCD相结构的精细测量。奇异强子产生于碰撞的早期，成为研究QCD相结构的优越探针，也是本课题的研究对象。.在资助期间，课题负责人及其团队成员围绕研究目标，开展了奇异夸克动力学的深入研究，以实验研究为主，辅助理论模型计算，取得了较好的成绩，4年间共发表标注学术论文20篇（含3篇实验文章），完成学术报告11次，培养6位研究生（含2位硕士），在奇异强子产生机制及QCD相结构物理，在（反）奇异超核质量测量上取得较好成绩。具体包括：1）奇异强子的精确测量和产生机制的细致研究，从奇异夸克动力学角度研究夸克胶子等离子体性质，并研究其产额比与QCD物质相变的联系，我们的新测量支持金核对撞能量小于20 GeV的实验区间，多奇异强子产额比随着粒子横向动量出现显著差异，可能是QCD相变的信号。2）奇异性原子核-超氚核质量和结合能的精确测量，我们的实验结果以10-4精度验证了CPT联合变换不变性在反奇异夸克物质上成立，这是迄今为止CPT对称性验证的最重的反物质原子核；同时我们发现超氚核结合能远大于0，回答了关于该问题的早期实验测量与理论研究不一致的争论。3）奇异强子在QCD热密物质中的细致输运属性，我们在理论上发展了RHIC能区奇异强子产生机制，改善了输运模型对RHIC束流能量扫描实验中奇异强子的横向动量分布和强子产额比的描述；在此基础上，我们提出可以通过奇异强子的产额比分析来提取相应的奇异夸克密度涨落随着束流能量的变化行为，进而研究其与QCD物质相变的联系。结合分析现有实验数据，我们发现奇异夸克密度涨落强度随着束流能量的变化呈现出非线性的行为，这样的行为偏离常用的统计模型的计算结果，可能反应了QCD相变的信息。我们的工作提供了研究QCD相结构的新方法，为下一步的重离子碰撞实验的开展提供了理论指导。