RHIC能区重离子对撞中J/psi的产生和极化的研究

High energy heavy ion collision is one of the major frontiers in nuclear and particle physics. The main goal of high energy heavy ion collision is to find the existence of QGP (Quark-Gluon Plasma) and to study its properties. The suppression of J/ψ production in heavy ion collisions (due to the color charge screening, the J/ψ would melt in QGP) has been proposed as a “smoking gun” signature of the formation of QGP. But, in addition to the effect of color charge screening, the J/ψ production and kinematics would also be modified by the regeneration of J/ψ (recombination from uncorrelated charm quarks) and the cold nuclear matter effects (such as the modification of parton distribution functions, color glass condensate, initial energy loss, multiple scatterings, and nuclear absorption). Thus the measurements of J/ψ invariant yield and polarization in different collision energies, different collision systems, and different centralities at RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, locate at Brookhaven National Laboratory, USA) STAR would shed new light on the interplay of J/ψ production mechanisms and QGP properties.

高能重离子对撞是核物理与粒子物理的前沿热点之一，其最主要的目的是寻找QGP（夸克胶子等离子体）存在的证据以及研究QGP的性质。在高能重离子碰撞中，J/ψ产额的压低（由于QGP中的"色屏蔽"的效应，造成J/ψ在QGP中的消融）被认为是QGP产生的最标志性的信号之一。但是除了"色屏蔽"的效应外，J/ψ在QGP中的"再产生"（在QGP中，不关联的粲夸克以及反粲夸克重新结合，形成J/ψ）以及冷核效应(例如：部分子分布函数在原子核中相对于质子中的改变，色玻璃凝聚效应，初始能量损失，多次散射，核子吸收效应等等)也会对J/ψ的产额和动力学特性产生影响。利用RHIC(相对论重离子对撞机，位于美国纽约长岛布鲁克海文国家实验室)STAR的实验数据，测量在不同对撞能量、对撞系统和中心度下J/ψ的产额和极化，对于研究J/ψ的产生机制、了解QGP的性质具有重要的科学意义。

根据格点量子色动力学的预言，在高温高能量密度的极端条件下会发生从普通核物质到夸克和胶子解禁闭的新的物质形态---夸克胶子等离子体的相变。这一新的物质形态被认为存在于宇宙演化早期，在实验室中可以通过高能重离子碰撞产生。夸克胶子等离子体的寻找和研究对人们理解极端条件下的量子色动力学和宇宙早期演化有重大物理意义，是相对论重离子碰撞实验的主要物理目标。.在研究重离子碰撞产生的夸克胶子等离子体的诸多探针中，J/psi由于色屏蔽效应而造成的产额压低被认为是夸克胶子等离子存在的标志性信号。但是除了色屏蔽效应外，J/psi在夸克胶子等离子体中的“再产生”和冷核物质效应也会显著的改变J/psi的产额和动力学特性。为定量探索这些机制的影响，研究夸克胶子等离子体的特性，本项目利用相对论重离子对撞机上STAR的实验数据，通过双电子衰变道测量了J/psi在金金39，62.4和200 GeV的核修正因子，发现其对碰撞能量没有显著的依赖性。与理论模型的比较表明，色屏蔽效应与“再产生”机制相互竞争，抑制了RHIC能区J/psi核修正因子对碰撞能量的依赖性。近年来由中美联合研制的缪子探测器投入运行，使得STAR拥有了缪子鉴别能力，采集了海量的有效J/psi触发事例，本项目利用该数据精确测量了J/psi在金金碰撞200 GeV下的产额，研究了J/psi的核修正因子随横动量和中心度的变化。这是目前RHIC在200 GeV中心快度区的最好测量结果，为研究夸克胶子等离子体的特性提供了精准的实验测量。J/psi在质子质子碰撞中的产生机制，是理解其在夸克胶子等离子体中行为的基础，本项目测量了J/psi在质子质子500 GeV碰撞下的产额和其在200 GeV的极化参数，为人们理解J/psi的产生机制、区分不同理论模型提供了额外信息。本课题还首次在RHIC金金200 GeV碰撞中测量了J/psi的极化参数，发现其对中心度有依赖性，预示着J/psi的极化也会受到热密物质的影响。这些测量结果极大的丰富了人们对夸克胶子等离子体的理解，为定量描述其特性提供了坚实的实验信息。