相对论重离子碰撞中重味粲夸克和底夸克的测量研究

Lattice QCD calculations showed that at ultra high temperature or high energy density nuclear matter undergoes a phase transition from confined hadronic phase to a deconfined 、locally thermalized state of matter named the Quark-Gluon Plasma (QGP). Plenty of Experimental results from the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), which is located at Brookhaven National Laboratory (BNL), showed that this new state of matter was created in central Au+Au collisions. Heavy flavor quark (charm and bottom) created in heavy ion collisions is an ideal probe for exploring the properties of this new state of matter. Understanding the interaction mechanism between heavy flavor quarks and hot dense partonic matter has been of great interest in recent years in relativistic heavy ion collision experiments. In this project, we will study the non-photonic electron production at midrapidity in p+p collisions at √s=500 GeV using data recorded by STAR during year 2011. Combined with theory models, we will try to extract the invariant cross section of electrons from bottom and charm meson decays. Further, comparing this results with LHC heavy ion collision results, we will study the non-photonic electron energy loss in the dense matter in heavy ion collisions. This study will play an important role in deeply understanding the heavy flavor production and its energy loss mechanism in relativistic heavy ion collisions.

格点QCD计算预言在极端高温和低重子密度的条件下会产生从普通的强子相到夸克解禁、局部热化的夸克-胶子等离子体(QGP)的相变。位于美国布鲁克海汶国家实验室 (BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)的实验结果表明在高能重离子碰撞中这种新物质相已经产生。重离子碰撞产生的重味夸克(粲夸克和底夸克)是探索这种新的物质性质的理想探针，目前对重味夸克与QGP物质相互作用机制的理解是高能重离子碰撞实验的一个重要物理目标。本项目旨在通过分析RHIC-STAR 2011年运行采集的质心系能量为500 GeV的p+p碰撞数据，结合理论模型，提取出底夸克和粲夸克各自衰变产生的非光电子的不变产生横截面，并进一步与LHC 重离子碰撞结果进行对比，分析重离子碰撞中非光电子的能量损失。 这项工作的开展将对深入理解重味夸克的产生以及其能量损失机制具有十分重要的意义。

基于胶子辐射能损机制的QCD理论在解释轻夸克在致密部分子物质内的能量损失取得了巨大的成功，然而在解释重味夸克能量损失是却遇到巨大的挑战。基于胶子辐射能量损失机制的理论计算预言重味夸克由于质量相对于轻夸克大，具有“死角效应”，因此在介质中相对于轻夸克会损失较少的能量。然而RHIC实验上却观察到质心系能量为200GeV的金金对心碰撞中非光电子在高横动量区间核修正因子被压低并且具有较大的非光电子椭圆流v2，这些观测结果均表明表明重味夸克与介质之间存在着较强的耦合。为了了解重味夸克如何与介质强耦合并且损失较大能量和较大椭圆流，人们需要分离出非光电子的测量中底夸克的贡献。在本课题的研究中，我们提出了一种方法来间接提取出底夸克对非光电子的贡献。. 我们分析了RHIC-STAR 2011年运行采集的500 GeV p+p碰撞数据，选择由BEMC-High Tower 触发的高横动量的事件, 分析了非光电子与带电强子的方位角关联函数，结合PYTHIA模型模拟的结果，提取出了2.5~13.5 GeV/c横动量区间下底介子对非光电子的贡献比例。同时还测量了非光电子的不变产生横截面谱，结合提取出的底介子和粲介子各自对非光电子的贡献比例，分离出了底介子和粲介子各自衰变产生的电子的不变产生横截面。. 在现有的统计误差范围内，我们的数据分析结果表明，在√sNN=500 GeV 质子- 质子碰撞中2.5< pTelectron <13.5 GeV/c 的区域里，提取出的底夸克对非光电子的贡献随pT升高而增大，底夸克的贡献在pT > ～7 GeV/c 区间大于60%。对比200GeV p+p碰撞中的结果发现，500 GeV p+p碰撞中底夸克对非光电子的贡献系统地大于200 GeV的结果。结合之前200 GeV金金对心碰撞中非光电子较大的能量损失,表明底介子也存在较大的能量损失，这一分析结果对全面理解重味夸克能损机制具有十分重要的意义。目前理论学家已经尝试在胶子辐射能损机制上加入碰撞能损等一系列其他机制来研究夸克能损机制，这一分析结果为理论解释能损机制提供了重要的依据。