相对论重离子碰撞中超氚核的实验研究

Data from the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Lab show evidence for partonic collectivity and othe likely signature of quark gluon plasma formation during the early stage of the collisions. Nevertheless, several important questions remain unresolved, such as the beam energy where the QGP signature first appear, and other details of the transion between hadronic and deconfined matter. Theoretical calculation predicted that a ratio between hypertriton and helium3 is a good representation of the local correlation between baryon number and strangeness, and therefore is a valuable tool to probe the nature of the dense matter created at RHIC: quark gluon plasma or hadron gas. In this proposal, we plan to carry out a detail measurement of hypertriton production during the RHIC beam energy scan. Detail information on hypertriton production and QCD phase transion will be discussed. We also plan to revisit the hypertriton lifetime measurement. With the development of accelarator and detector technique, we should improve the previous measurement precision by a factor of 3-5 and provide better constrains on model calculation to understand the structure of neutron stars.

相对论重离子对撞机RHIC过去10年丰富的实验数据支持了新物质态QGP在碰撞早期形成。但是，还有一系列重要科学问题没有回答。比如，QGP信号在哪个能量点就产生或消失了？高温高密QCD物质是怎么从相对低温下的强子气体变化到高温下的QGP呢？QCD相结构携带丰富的物理信息，需要理论和实验研究。理论研究表明，RHIC碰撞中超氚核和氦3的产额比表征了重子数、奇异数定域关联强度，是研究高温高密QCD相变的有效实验探针之一。在RHIC能量扫描实验中，精确测量超氚核和氦3的产额比随着系统能量的变化曲线，将提供系统是否产生QGP态或者只是处在强子气体态的信息。同时，超氚核寿命的精确测量是研究Lambda超子-核子相互作用势的关键参数，对于核天体物理尤其是理论上研究中子星物质构成有直接意义。历史上超氚核的寿命测量具有较大的不确定性，借助于发达的现代科技，我们将在RHIC中大大提高超氚核的寿命测量精度。

相对论重离子对撞机上产生了大量的奇异夸克，是研究奇异夸克性质的理想产所。我们在本课题执行期间，完成如下研究内容：1）RHIC能量扫描一期实验中超氚核的实验数据分析，并研究奇异性占有因子随着碰撞能量的变化曲线。发现从在19 GeV以下，该因子是平坦分布，从19 GeV 到39 GeV，则呈现上升趋势；结合理论研究发现19 GeV 之后需要引入夸克自由度才能更好的描述数据。该工作倾向于指出，在19 GeV前后，是强子相和部分子相的分界区间。该结果对于STAR能量扫描二期也有直接的指导意义，它指出，接下来的实验应该集中在19GeV附件增加采样点和采样统计量，这样才能更好的研究QCD相变和QCD相结构。 2）完成超氚核寿命的精确测量。在STAR实验中首次开展超核3体衰变分析，结合2体数据得到超氚核寿命的精确测量。STAR新的结果支持超氚核寿命明显有别于自由Lambda超子的，预示着超氚核内部Lambda超子与核子之间有强的结合，对于认识超子－核子之间相互作用势有新的启示，是研究中子星等致密星体的内核构成的重要数据。3）通过疏运模型耦合Coalescence模型，我们研究了RHIC能区下核子及多奇异性系统的产额。我们发现，随着系统碰撞能量的降低，核子的产额压低因子逐渐变小，并指出理论上在能量扫描的低能区开展轻核子物理研究有更丰富的物理。4）与此同时，我们 开展了RHIC-STAR能量扫描一期实验中Omega,Phi的产额测量，发现在碰撞能量点19 GeV或者以上，Omega/Phi的产额随着横向动量比基本相同，并显著大于 19 GeV能量下的实验结果；在夸克熔合模型的框架下对实验数据进行组分夸克数标度分析，发现实验结果支持RHIC能区系统碰撞能量大于等于19 GeV时，夸克相互作用起主导作用，在低于19 GeV区间，强子相互作用起主导作用。我们的测量结果是研究QCD物质相结构，寻找相变临界点的重要阶段成果，为后期的能量扫描二期实验提供新的思路。