RHIC能区直接光子的实验研究

The Big-Bang theory indicates that the Quark Gluon Plasma (QGP) is formed at the very universe in a few tens of microseconds. Lattic QCD predicts a phase transition from hadronic matter to this deconfined and locally thermalized matter at high temperature and low baryon density. Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven National Laboratory (BNL) provides an opportunity to study this strongly coupled QGP. The research of the behavior and property of QGP is a very interesting topic for physicist. This medium is expected to emit thermal radiation which is in the form of direct photons and dileptons. As electromagnetic probes, which do not suffer strong interaction, direct photon and lepton will traverse the hot and dense medium created by heavy ion collisions with minimal interactions once they are produced. Because photons can be produced at all stages in the medium evolution process, they are believed to bring the information from all the evolution steps. The research on this probe will provide the most direct and pure information. This proposed project plans to measure the direct photon produced in relativistic heavy ion collision at STAR via virtual photon method. The possibility of the direct measurement via real photon will also be studied.

宇宙大爆炸理论预言在大爆炸发生后约几十微秒的宇宙早期会产生一种特殊的物质形态-夸克胶子等离子体 (QGP)。格点QCD计算预言了在高温高能量密度条件下的从普通强子物质到这种夸克解禁闭的局部热平衡物质的相变。位于美国布鲁克海文国家实验室 (BNL) 的相对论重离子对撞机 (RHIC) 通过高能重离子碰撞提供了一个在实验室中研究这种强耦合夸克胶子等离子体物质的环境，研究其行为和性质成为物理学家们非常感兴趣的课题。 电磁探针因为不参与强相互作用，其一旦产生，在穿越相对论重离子碰撞产生的高温高密物质时只受到很小的相互作用。这种探针如光子可以在碰撞演化的各个过程产生，被认为能够携带来自各个过程中的信息。对其的研究能够反映碰撞系统最直接最纯净的信息。本项目计划使用虚光子方法对相对论重离子碰撞中产生的直接光子进行实验测量，并在此基础上进一步研究在STAR上用真实光子方法测量直接光子的可能性。

本项目围绕RHIC能区直接光子的产生进行了三个方面的研究。.a)完成了RHIC-STAR上直接光子谱的首次测量。利用RHIC-STAR的金核-金核对撞数据进行了1-3GeV/c和5-10GeV/c横动量下的直接光子重建。首次实现了使用虚光子方法进行大横动量范围的直接光子产额测量。在各个中心度下都观察到了来自于夸克胶子等离子体热辐射和强子气体热辐射的热光子产生，并且来自于初始硬过程的直接光子谱符合没有热辐射的预期。该结果为解决重离子对撞中的“光子谜题”提供了关键的实验测量。.b)发现非对心重离子对撞中的双轻子相干光致产生。通过对RHIC能区极低横动量的双电子谱进行测量，首次观察到了非对心重离子碰撞中的双轻子相干光致产生。这种产生过程来自于光子-光子相互作用或光子-核子相互作用，并曾被认为是不能发生在有强子过程的核核碰撞中的。在引入了磁场效应后，碰撞早期产生的双电子在磁场中偏转引起的横动量展宽效应可以更好的描述实验测量值。模拟计算得到的磁场在10的14次方特斯拉量级，比拟甚至超过脉冲星的磁场。这一发现为夸克胶子等离子中强电磁场的存在提供了可能的证据，开辟了电磁探针研究的新方向。对此的后续研究将是十分重要而有趣的。.c)课题负责人作为主要贡献者之一深入参与RHIC-STAR的探测器升级--时间投影室内径升级和前向径迹系统升级。这些升级可以有效提高电子及光子的鉴别能力。其中时间投影室升级可以提高探测器粒子鉴别的精度和接收度，结合已经完成的端盖飞行时间谱仪可以把对电子的鉴别能力扩展到前向。正在进行研制的前向径迹系统可以使得前向真实光子测量成为可能。