相对论重离子碰撞中守恒荷高阶累积矩的精确测量和物理分析

One of the main goals of the relativistic heavy ion collisions is to locate the QCD phase diagram. Currently, Lattice QCD calculations show that the high order cumulants of conserved quantities are sensitive to the QCD phase transition. Experimentally, precisely measuring the conserved quantities are still need careful study within existing statistics. Meanwhile, the influence of traditional particle production on high order cumulants are very important. Based on current experimental and theoretical studies about these observables, this project will improve the experimental method of calculations to extract much reliable estimation for the measurement of high cumulants at current RHIC/BES. And we will also study the effects of the non-critical phase transition for the measurement. The contents of the works are: (1) Investigating and improving the experimental method of calculations and corrections of the particle detected efficiency for high order cumulants. Meanwhile, we will study if the necessity of the measurement of the sixth order cumulant in experiment. (2) Discussing the effects of the mechanism of particle production on cumulants analysis, including the different initial conditions and stopping effects of the initial protons in relativistic heavy ion collisions. (3) Understanding the difference of the cumulants in different thermal model. Considering the conservation law, Re-calculating the cumulants of conserved quantities with different momentum acceptance in Hadron Resonance Gas (HRG) model. Comparing the results to experimental studies.

相对论重离子碰撞的主要目的之一是确定QCD相图。目前，格点QCD的计算表明守恒荷的高阶累积矩是相变敏感的测量，但是，精确测量高阶矩在现有实验统计量的情况下仍然是需要仔细研究的工作。同时，传统粒子产生机制对守恒荷高阶起伏的影响也是研究高阶累积矩相变不可或缺的重要方面。本项目拟在已有的实验和理论分析工作基础上利用理论分析和模型模拟改善实验分析方法、提高测量精确度、探寻各种非临界效应的影响。具体工作是：（1）探讨并改善高阶矩的实验计算方法以及粒子探测效率修正。结合统计误差，分析六阶矩实验测量的可行性及必要性。（2）讨论相对论重离子碰撞的粒子产生机制对高阶矩测量的影响，具体为：不同的碰撞初始条件及初始碰撞质子的stopping效应。（3）理解高阶矩在不同热平衡模型中的差异原因。在强子共振态气体模型（HRG）中加入守恒定律，重新计算高阶矩在不同动量空间截断下的行为，与实验测量结果比较。

RHIC能量扫描计划的主要目标就是探寻QCD相图的临界点以及相边界。理论预言，守恒荷的高阶矩在临界点附近对能量的依赖性会出现非单调行为，并且测量值会从正变到负。当然，高阶矩非临界效应的贡献也不可忽略。为了消除初始体积起伏效应，计算高阶矩时，通常首先计算高阶矩在每个Nch上的值，然后用权重的方法得到每个中心度情况下高阶矩的观测值。由于每个Nch对应的数据统计量非常少，净质子多重数分布的尾部不会被探测器完整探测到，这导致四阶矩的测量值被低估。综合考虑RHIC能量扫描计划的统计量以及初始体积效应，我们提出了首先在每隔1%的中心度宽度上计算四阶矩。另一方面，高阶矩的统计误差也与测量值有关联。用同样的参数进行Skellam分布模拟，在相同统计量情况下，测量的高阶矩的值越大，统计误差也越大。它是由于同一样本被同时用于测量高阶矩及估算统计误差造成的。当然这一效应会随着统计量的增加而减弱。因此，统计量的不足会同时导致高阶矩的测量值及统计误差同时出现偏差。六阶矩对统计量的要求更严格。在现有RHIC/BES I 统计量下，当能量低于19.6 GeV时，目前并没有合适的方法计算六阶矩。在UrQMD模型中，即使统计量比RHIC/BES II还要高时，它的误差仍然非常大。模型也没有任何六阶矩对能量依赖性的迹象。另外，如果六阶矩的临界效应跟PQM 模型可以比，在RHIC/BES II，六阶矩的临界信号是有希望被探测到的。我们用Ising模型系统学习高阶矩在临界点附近的行为。三、五阶矩的正负号符号的改变情况与四、六阶矩完全不一样。并且，在外场存在的情况下，六阶矩负值区域的范围大小会随着外场值的变小而变窄。在同样的外场下，它发生正负号变化对应的温度又会随着系统尺度的变大而升高。我们用AMPT模型测量质子、反质子和净质子的高阶关联函数对中心度及能量的依赖。在RHIC高能区的所有中心度及低能区的边缘碰撞，反质子的贡献是不可忽略的。并且反质子的贡献随着高阶矩阶数的增高而增加。这对STAR实验在BES II上测量净质子数的高阶关联函数和高阶矩有重要的指导意义。