相对论重离子对撞中极低横动量J/psi异常增强的实验研究与机制探索

Relativistic 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. J/ψ is one of most important probes of QGP. After decades of experimental and theoretical efforts, the modification of J/ψ yield in heavy ion collisions can be described by the cold nuclear matter and hot medium effects. Recently, an abnormal excess of J/ψ yield at very low transverse momentum (< 0.3 GeV/c) has been observed by the ALICE collaboration, which cannot be explained by the hadronic J/ψ production modified by the cold or hot medium effects. The observed excess may originate from the coherent photon-nucleus interactions. At present, the studies of J/ψ production at very low transverse momentum are very rare, which need more experimental and theoretical explorations. In this project, we propose to do precise experimental measurements and theoretical calculations of J/ψ production at very low transverse momentum in different collision systems and centralities, which can shed new light on the understanding of coherent photon-production, parton distributions in nuclei, cold nuclear matter effects, and the properties of QGP.

高能重离子对撞是核与粒子物理的前沿热点之一，其最主要的目标是寻找夸克胶子等离子体（QGP）存在的证据并研究QGP的性质。在研究QGP的诸多信号中，J/ψ是其中最重要的探针之一。经过几十年实验和理论的发展，J/ψ在重离子对撞中产额的改变可以被冷核物质效应加上热介质效应很好的描述。最近，ALICE合作组观测到J/ψ在极低横动量（< 0.3 GeV/c）有显著的异常增强。该增强不能被以上提到的各种效应解释，极有可能源自J/ψ的相干光致产生。目前，对极低横动量J/ψ的研究，十分稀少，亟需大量的实验测量与理论探索。本项目利用RHIC STAR的实验数据，精确测量在不同对撞系统、不同中心度下极低横动量J/ψ的产额，辅以理论计算，为人们理解相干光致产生、重核中的部分子分布、冷核物质效应和QGP的特性提供实验和理论依据。

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。随着实验和理论的进展，人们认识到J/psi产额的压低不仅受到色屏蔽的影响，还会受到“再产生”和冷核物质效应的影响。在考虑了这几种效应后，理论计算能够定量的描述J/psi在各种碰撞能量和系统下的实验测量。然而，在2016年ALICE合作组发现J/psi在极低横动量的产额有显著的异常增强，预示着其有新的产生机制。该异常增强的机制是什么，是否源自相干光致产生，能否可以作为探测夸克胶子等离子体的新探针？这些问题的回答亟需大量的实验测量与理论探索。.本项目利用RHIC-STAR采集的实验数据，测量了重离子碰撞中极低横动量J/psi的产额，发现其在偏心碰撞有几十倍的异常增强。类似于ALICE的实验测结果，该异常增强不能被J/psi的核子间强相互作用产生加上冷核和热核物质效应所解释，揭示了J/psi在极低横动量区间有新的产生机制。为进一步探究其来源，本项目首次测量了偏心碰撞极低横动量J/psi的产额随四动量转移的变化,其结果非常符合相干光致产生的特征。为探索该异常增强的来源，本项目计算了J/psi在重离子碰撞中相干光致产生的产额，并首次考虑了干涉效应的影响，发现其能定量描述各项实验结果，证实了极低横动量的异常增强源自相干光致产生。此外理论计算和实验测量的比较表明在半中心碰撞中相干光致产生有受到夸克胶子等离子体影响的迹象。这为人们理解相干光致产生、重核中的部分子分布、冷核物质效应和QGP的特性提供实验和理论依据。.