Heavy quark production and spectroscopy at HERA

a r X i v :0809.4150v 2 [h e p -e x ] 29 S e p 2008

Heavy quark production and spectroscopy at HERA

M.J¨ungst (on behalf of the H1and ZEUS collaborations)

Physikalisches Institut Universit ¨at Bonn Nu?allee 12,53115Bonn,Germany

Heavy ?avour production and spectroscopy are key components of the HERA physics programme.I will summarise a selection of the recent results obtained by the H1and ZEUS collaborations.The production of excited charm mesons and J/ψwill be discussed as well as measurements of b quark cross-sections in photoproduction.The status of searches for exotic bound states and the D ?p resonance will be updated.

1.INTRODUCTION

Heavy ?avour production in e ±p collisions at HERA provides a good testing ground of perturbative Quantum Chromodynamics (pQCD)as the high quark mass provides a hard scale.Furthermore,other hard scales such as Q 2,the virtuality of the exchanged boson,or p t ,the transverse momentum of the heavy quark,allow resummation techniques to be tested.Measurements of production rate and kinematic properties of heavy quark bound states such as charmonium also give direct access to the non-perturbative part of the production process.New theoretical models can also be tested by searches for exotic bound states like the D ?p resonance.

Di?erent kinematic variables are used to describe the ep interaction at HERA:Q 2,the Bjorken scaling variable,x ,

and the inelasticity,y .Until 1997HERA ran at a centre-of-mass energy of

s =320GeV for data taken from 1998onwards.Due to improvements of the detector and accelerator during a break in the data taking,the available dataset is split into two periods.In the HERA I period from 1996until 2000about 130pb ?1and between 2003and 2007of HERA II about 400pb ?1per experiment were collected.

The kinematic range of the analysed data can be separated in the following two regimes:photoproduction (γp ),where the exchanged photon in the process is almost real,and deep inelastic scattering (DIS),where the exchanged photon is virtual.Experimentally,γp is de?ned by the scattered electron not being in the acceptance region of the

detector,corresponding to a cut Q 2<~1GeV 2

.

2.THEORY

There are di?erent approaches for the calculation of heavy ?avour production in next-to-leading order perturbative QCD.The massive approach assumes no initial charm or beauty in the proton (or photon).Heavy ?avours are only generated dynamically from the gluon distribution.This approach is particularly valid if the heavy quark mass is of the order of other hard scales like Q 2or the transverse momentum p t of the heavy quarks.In the massless approach,the leading-logarithmic and next-to-leading logarithmic terms for example in αs log Q 2/m 2c,b are resummed.This approach assumes the heavy quark to be massless and is therefore only valid if other quantities like Q 2or p t provide the dominant scale.Models using the k T factorisation approach [1]are based on non-collinear parton dynamics based on the CCFM [2]evolution equations.In heavy quark bound states like charmonium,only the production of the c ˉc pair can be described in pQCD,whereas the formation of the J/ψbound state which occurs at long distances has to be described by phenomenological models.In the framework of non-relativistic QCD (NRQCD)[3]so-called colour singlet (CS)and colour octet (CO)states coexist.In the spectroscopy of heavy quark bound states containing only one heavy quark,Heavy Quark E?ective Theory (HQET)is used to predict the production and decay properties.

3.BEAUTY IN PHOTOPRODUCTION

HERA

10

1

10

10

10

(GeV)

d σ/d p T b (p b /G

e V )

Figure 1:Cross sections for beauty production

as a function of p b T from various decay channels.

An important test of pQCD is provided by open heavy ?avour pro-duction.In Figure

1the measurements of the beauty cross section in photoproduction of both the H1and the ZEUS collaborations are shown as a function of the b quark transverse momentum,p T .The analyses used di?erent datasets,techniques and decay channels pro-viding independent measurements cross-checking each other.The di?erent measurements agree well with each other and are in rea-sonable agreement with the NLO prediction from FMNR[4].They cover a wide range in p b T giving a consistent picture of b quark pho-toproduction.

4.INELASTIC J /ψPRODUCTION

At HERA,the charmonium state J/ψis produced predominantly by the boson gluon fusion (BGF)

process.The theoretical models which are used to compare with the measurements follow either the DGLAP evolution or use the k T factorisation approach.After the heavy quark pair (c ˉc )is pro-duced at short distances,the formation of the J/ψbound state is described by non-perturbative long distance matrix elements (LDME).In the NRQCD models,contributions from both CS and CO states are predicted;one aim of the measurements is the Figure 2:Di?erential cross section as a function

of p 2T,ψin the (γp )regime

The H1collaboration measured inelastic J/ψproduction with decays

to μ+μ?in the photoproduction region using ~166pb ?1from the 2006-2007data,complementing their previous measurement in the DIS region [5].In Figure 2the di?erential cross section as a function

of p 2

T is shown and compared with Monte Carlo predictions and the CS calculations at leading order (LO)and at next-to-leading order (NLO).The scaled CASCADE [2]Monte Carlo,which uses the k T factorisation in the colour changing ?avour mode,is able to

reproduce the slope better than the scaled EPJPSI [6]Monte Carlo,following the DGLAP evolution.While the CS LO calculation is not able to describe the data,there is a good agreement with the NLO calculation within the large normalisation uncertainties.As the CS provides a generally good description of the data when using the k T

factorisation or calculations at higher orders,no signi?cant colour octet contribution is required,although there are still large normalisation uncertainties on the prediction.

In order to reduce the e?ect of the normalisation uncertainty,polarisation measurements are an important testing ground for the NRQCD predictions.Normalised quantities can be measured using helicity parameters to characterise the decay angular distributions.A measurement of the J/ψhelicity [7]has been performed by the ZEUS collaboration using the complete HERA statistics (~470pb ?1).The angular distributions of the J/ψ→l +l ?decay can be

parametrised as d 2

σ2ν(z )sin 2Θcos 2

φ[8].The following integrated helicity formulae are used,depending on the chosen reference frame:

1d cos Θdz ∝1+λ(z )cos 2Θ,

1

dφdz

∝1+λ(z )3cos 2

φ,

where θis the angle between the μ+vector in the J/ψrest frame and the z axis,and φis the azimuthal angle in the x-y plane of the μ+vector in the J/ψrest frame.

z

0.1

0.20.30.40.50.60.70.8

0.9Figure 3:Helicity parameter,ν,as a function of the inelasticity,z

Figure

3shows the measurement of the helicity parameter νas a function of the inelasticity z .In addition to the NRQCD predic-tions two di?erent predictions following the k t factorisation approach are compared with the measurement.The LO NRQCD predictions (BKV)[8]do not describe the dependency of this parameter well,whereas the prediction including the CO contribution seems to be favoured within the large uncertainties.The other two predictions (Baranov)[9],predict a small negative polarisation and are always below the measurement.In this scheme where only CS contributions have been taken into account two di?erent parametrisations of un-integrated gluon distributions have been used.The CS model with k T factorisation gives predictions that are more similar to CS+CO compared to the CS only prediction.To distinguish between the di?erent theoretical contributions the large variation between the calculations has to be understood and it would be good if the theo-retical predictions could be improved and made available at NLO.

5.SPECTROSCOPY

M(D ?±πa ) = ?M ext + M(D ?+)PDG

(GeV)C o m b i n a t i o n s p e r 4 M e V

M(D ±πa ) = ?M ext + M(D +

)PDG (GeV)

Figure 4:M (D ?+πa )and M (D +πa )distribu-tions for the D 1(2420)0and the D ?2(2460)0can-didates.The large charm production cross section at HERA permits mea-surements to be made of excited charm and charm-strange mesons.The production of excited charm and charm-strange mesons is ob-served by the ZEUS collaboration using the full HERA I dataset corresponding to an integrated luminosity of ~126pb ?1[10].The following decay channels were investigated:

D 1(2420)0→D ?±π?

D ?2(2460)0→D ?±π?

→D ±π?

D S 1(2536)0→D ?+K 0

s →D ?0K +

s Figure 4shows the M (D ?+πa )and M (D +

πa )distributions for the

charm meson candidates reconstructed in the given decay chan-nels.The measured masses of the observed mesons have been found

to be in reasonable agreement with the world average values.In addition to the masses also the widths,helicity and the relative

branching fractions could be extracted.The measured D 01width

is Γ(D 01)=53.2±7.2(stat.)+3.3?4.9

(syst.)MeV which is above the world average value of 20.4±1.7MeV.A larger S-wave admixture at

ZEUS with respect to that in measurements with restricted phase space could explain the di?erences as already

a small S-wave admixture could have sizeable contributions to the D 0

1width.The measured value for the he-licity parameter of h (D 01)=5.9+3.0?1.7(stat.)+2.4?1.0(syst.)has to be compared with the prediction of the HQET for a

pure S-wave (h =0)and a pure D-wave (h =3).For the charm-strange meson D +

s 1the measured parameter is

h (D +s 1)=?0.74+0.23?0.17(stat.)+0.06?0.05(syst.)which is inconsistent with the prediction for a pure D-wave and more than two standard deviations away from the prediction for a pure S-wave.So the measurement suggests a signi?cant con-tribution of both D-wave and S-wave amplitudes to the D s 1(2536)+→D ?+K 0

S decay.In addition,a search for the

radially excited charm meson D ?′

(2640)±has been made,which was reported by DELPHI as a narrow resonance in the ?nal state D ?±π+π?at 2637MeV.In the inspected mass range no signal was observed and according to the expected

mass and width the following limit at (95%con?dence level)was extracted:f (c →D ?′

+)·B D ?′+→D ?+π+π?<0.4%.

6.D*p RESONANCE

Figure 5:Distribution of M (D ?p in the HERA I (bottom)and HERA II (top)data samples.

The H1collaboration observed a narrow signal in the D ?p chan-nel at M (D ?p )=3099±3(stat.)±5(syst.)MeV in the HERA I dataset [11].This signal was interpreted as an anti-charm baryon with a minimal constituent quark composition of uudd ˉc with a

relative contribution of N (D ?

p )

N (D ?)

~0.1%.

References

[1]S.Catani,M.Ciafaloni,and F.Hautmann,Nucl.Phys.B 366,135(1991).[2]H.Jung,arXiv:hep-ph/9908497,and references therein.

[3]G.T.Bodwin,E.Braaten and G.P.Lepage,Phys.Rev.D 51,1125(1995),erratum Phys.Rev.D 55,5853(1997).[4]S.Frixione et al.,Nucl.Phys B 412,225(1994).

[5]H1Collab.,Inelastic Photo-Production of J/ΨMesons at HERA ,preliminary result H1prelim-07-172.[6]

H.Jung,Proc.Workshop on Physics at HERA,W.Buchm¨u ller and G.Ingelman (eds.),Vol.3,p.1488,DESY,Hamburg,Germany (1992);

H.Jung et al.,Z.Phys.C 60,721(1993).

[7]ZEUS Collab.;S.Chekanov et al.,Measurement of J/ψhelicity distributions in inelastic photoproduction at HERA ,prepared for DIS 2008conferences,March 2008.[8]M.Beneke,M.Kr¨a mer and V.V¨a nttinen,Phys.Rev.D 57,4258(1998).[9]S.P.Baranov,private communication.

[10]ZEUS Collab.;S.Chekanov et al.Production of excited charm and charm-strange mesons at HERA ,to be published in EPJ.

[11]H1Collab.,A.Aktas et al.,Phys.Lett.B 58817(2004).[12]ZEUS Collab.,S.Chekanov et al.,EPJ C 3829(2005).

[13]

H1Collab.,F.D.Aaron et al.,Search for D*p resonance at HERA II ,prepared for DIS 2008conferences,March 2008.

浅谈现代粒子物理前沿问题_夸克_胶子等离子体

[摘要]夸克-胶子等离子体是当今粒子物理领域的重要研究课题,它不仅能揭示微观粒子的物理性质,还能帮助人们认识宇宙的演化过程。本文对夸克-胶子等离子体的研究现状进行了概述。[关键词]夸克-胶子等离子体;高能重离子碰撞浅谈现代粒子物理前沿问题———夸克-胶子等离子体 傅永平 郗勤 (临沧师范高等专科学校数理系,云南临沧 677000) 1研究夸克-胶子等离子体的科学意义 按照目前的实验观测结果,已知的物质最小构成单元是夸克和轻子,比如质子和中子就是由上夸克和下夸克组成的三夸克色禁闭束缚态,而介子则是双夸克色禁闭束缚态。我们熟知的电子就是轻子的一种。如果用质量来标度,夸克和轻子可以分为三代,每一代有2种夸克和轻子,其中夸克包括上夸克、下夸克、奇夸克、璨夸克、顶夸克和低夸克,轻子包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。 夸克-胶子等离子体是区别于强子的一种新的物质形态,夸克不再是以强子型的双夸克或三夸克色禁闭束缚态形式存在,夸克-胶子等离子体中的夸克是色相互作用渐近自由的,夸克与夸克之间,夸克与多夸克之间存在自由的色相互作用,这是一种多体夸克凝聚的新物质形态。 宇宙大爆炸初期宇宙的温度约为1028 eV,按照标准模型,当时可 能存在的物质只有轻子和夸克,此时夸克的色自由度是解禁的,就会形成夸克-胶子等离子体。之后随着宇宙不断膨胀,温度下降到100MeV时,夸克物质发生对称性破缺,开始冻结成为质子和中子。从夸克物质演化的意义来讲,研究夸克-胶子等离子体不仅对基本粒子物理研究意义重大,而且对于宇宙演化的研究来讲也具有重要意义。 2实验概况 实验表明,高能重离子碰撞有可能产生核子的多重碰撞,使能量主要集中在质心附近。也即一个核的核子有可能和另一个核的不同核子发生多次碰撞,而不是仅发生一次碰撞便飞离质心区域,这样在一个很短的驰豫时间内,能量可以集中在质心附近,从而产生夸克-胶子等离子体。为更好地解释在高能重离子碰撞过程中,能量如何主要聚集在质心附近,引入核阻塞能力的概念,它表征重离子碰撞过程中一个入射核子与另一个核碰撞时所受到核物质的阻塞程度,如果多重碰撞程度越高,阻塞能力也就越大,出射核子所携带的能量就越小,那么聚集在质心附近的能量就越高,也就越容易产生夸克-胶子等离子体。多重碰撞及核阻塞能力的研究,在高能重离子碰撞产生夸克-胶子等离子体方面具有重要作用。 实验物理学家们正在尝试着利用高能重离子碰撞实验装置,把物质的温度和密度在一个很小的时空区域内提升到大爆炸的初始阶段,即把“历史”退回到存在自由夸克物质的宇宙初期。美国布鲁海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)能够将金原子核加速到每核子100GeV,碰撞的质心系能量可达39.4TeV。 此外,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)可以把铅原子核加速到每核子2.76TeV的质心系能量。那么碰撞的质心系能量可达到574.08TeV。未来LHC的质心系能量还将提升到每核子5.5TeV,碰撞的质心系能量将达到1144TeV。RHIC能将金原子核加速到光速的99.95%,核粒子束迎头相撞时,每秒钟将会出现上千次的碰撞,每一次碰撞都能在相撞点上产生很高的温度,大约能产生超过1012K的温度,这相当于太阳温度的1万倍。 3探测夸克-胶子等离子体 夸克-胶子等离子体一旦产生就会迅速冷却膨胀,所以其寿命是很短暂的。对于实验物理学家而言,观察其冷却过程中的粒子产生才是观测夸克-胶子等离子体的有效途径。夸克-胶子等离子体在冷却过程中将有大量新粒子产生,其中包括光子、轻子和夸克碎裂产生的强 子。标准模型预言,夸克-胶子等离子体的粒子产生多重数将远大于核子-核子深度非弹性散射的粒子产生,所以通过比较实验结果和理论预言将成为又一检验标准模型正确与否的关键。 如何观测夸克-胶子等离子体不仅是实验关心的问题,也是理论研究的热点。比如研究夸克-胶子等离子体的动力学特征。而要了解它,就必须依赖于从中心区域出射的、且未被其损坏的粒子。这些粒子的最佳候选者就是光子和轻子,因为光子和轻子只参与电磁相互作用和弱相互作用,它们都不会与夸克物质发生强相互作用,对于以强相互作用为主导的过程而言,它们几乎可以不受阻碍地从碰撞中心区域出射并被探测器捕捉到,所以光子和轻子都可以携带中心区域夸克物质的动力学信息,通过研究它们便可以了解自由夸克物质的动力学特征及规律。 在高能重离子碰撞过程中有以下三种主要的光子产生源,首先是初始冷组分部分子碰撞产生的快光子,它们包括夸克、胶子之间的湮灭和康普顿过程产生的直接光子,还包括由末态部分子在真空中碎裂产生的光子。还有喷注通过热媒介时,与热部分子相互作用也会产生光子。由于初始部分子碰撞过程中的转移动量很高,强相互作用跑动耦合常数小于1,这些光子的产生机制可以利用微扰量子色动力学和量子电动力学来处理。此外,在热夸克物质的平衡相中,热光子将由热夸克和热胶子的湮灭和康普顿过程产生,由于夸克-胶子等离子体的热光子主要集中在低横动量区域,所以微扰论很难处理。 只能依靠有限温度场论以及有效热质量截断等技术来解释夸克-胶子等离子体的热光子产生。最近,有的学者提出了一种新的理论来解释热光子的产生机制,称为共形反常。在夸克-胶子等离子体中存在共形不变对称性的破缺,这种破缺机制直接导致了色单态热部分子之间的相互作用产生热光子。光子产生的最后一个主要来源是碰撞演化末态的强子物质,热强子气体之间主要通过介子相互作用产生热光子,其中介子主要是轻介子,目前关于强子气体模型已经把奇异介子也包含进来了。来自RHIC的PHENIX实验组和LHC的CMS实验组得到的光子实验数据能较好地与理论计算结果相吻合。 对于高能重离子碰撞中双轻子的产生机制,与光子产生过程完全类似,只需要将实光子变换为虚光子即可,因为双轻子主要由虚光子衰变而来。理论表明来自于夸克-胶子等离子体的热双轻子在低不变质量区域产率最大,但是热双轻子在这个区域的贡献被众多的强子衰变谱所掩盖,热双轻子唯一占主导的区域是在中间不变质量区域。但中间不变质量区域的双轻子数据同样能用粲粒子衰变来解释。不过来自NA60实验组的数据表明较之粲粒子衰变谱,中间不变质量区域的双轻子数据有一个抬高,这个抬高有可能是来自热双轻子的贡献。 除此之外,对于RHIC的双轻子实验而言,仍存在着不少公开问题。其中之一就是低横动量双轻子数据在低不变质量区域较之强子衰变的理论预言有一个2到3倍的抬高现象。这种抬高现象可以通过热媒介中矢量介子由于手征部分恢复而发生质量移动来部分地得到解释,但仍无法完全解释抬高现象。最近,PHENIX实验组得到的高横动量双轻子不变质量谱也存在实验值高于现有理论预言的抬高现象。来自热双轻子的贡献仍无法解释现有数据。 4小节 本文就目前粒子物理的前沿热点,夸克-胶子等离子体,进行了概述。现有的夸克-胶子等离子体的光子产生实验数据能够与理论计算结果较好地吻合,但是双轻子产生的实验数据在理(下转第42页)

原子核和强相互作用物质的相变

原子核和强相互作用物质的相变1 刘玉鑫,穆良柱,常雷 1.北京大学物理系, 北京100871 2.北京大学重离子物理教育部重点实验室,北京100871 3.重离子加速器国家实验室理论核物理中心,兰州730000 摘要:简要回顾原子核和强相互作用物质的相结构及相变研究的现状。说明原子核和强相互作用物质的相结构和相变的研究是原子核物理、粒子物理、天体物理、宇宙学和统计物理等领域共同关心重要前沿领域,到目前为止已取得重大进展,但无论是具体实际问题还是研究方法等方面都需要系统深入的研究。 关键词:原子核物理;强相互作用物质;相与相变 1 引言 100年前,爱因斯坦通过分析充满空腔的辐射系统的熵与充满空腔的气体系统的熵,提出电磁辐射由光量子组成[1,2] ,从而建立了光子的概念,吹响了引导人们探索微观世界的冲锋号。进一步的深入研究表明,组成物质世界的粒子可以分为强子和轻子两类,粒子间的相互作用可以分为引力作用、电磁作用、弱作用和强作用4类。参与强相互作用的粒子或具有强相互作用的系统统称为强相互作用物质(包括强子物质、夸克物质等)及其特殊形式——原子核(由有限个强子组成的系统),对原子核和强相互作用系统的相结构及相变的研究,对于认识强相互作用系统的相结构、相变,了解宇宙的起源和演化至关重要,并且可能是有限系统的统计物理的检验平台。因此,近年来关于原子核和强相互作用系统的相变的研究不仅是原子核物理、天体物理、宇宙学及粒子物理等领域研究的重要前沿课题,还引起了有限量子多体系统领域和统计物理学界的极大关注。本文简要介绍原子核及强相互作用系统的相及相变研究的现状。 2 原子核的相及相变 2.1 原子核的单粒子运动与集体运动 原子核是有限数目的强子组成的束缚系统,其中的核子(质子和中子)自然具有单粒子运动,并建立壳模型成功的描述原子核的相应性质。实验上对原子核的能谱和电磁跃迁等的研究表明,原子核还具有整体运动,并建立了原子核具有形状和振动、转动等集体运动模式的概念。人们通常利用将核半径按球谐函数),(?θlm Y 展开来描述原子核的形状,并将相应的形变称为l 2极形变(如图1所示)。已经观测到和已经预言的原子核形状多种多样[3,4],比较重要的是四极形变,实验上已经观测到的最高极形变是16极形变[3,4]。按照壳模型和集体模型的观点, 幻数核多为球 1基金项目:国家自然科学基金(10425521, 10135030)、国家重点基础研究发展规划(G2000077400)、教育部优秀青年教师奖励计划项目、教育部博士点专项研究基金(20040001010) 作者简介:刘玉鑫,男,博士,北京大学物理系教授,主要研究方向为原子核理论、强相互作用物质理论及QCD 相变、物理学中的群论方法及计算物理等方面的研究工作;中国物理学会会员(S020001000M ),E-mail: liuyx@https://www.360docs.net/doc/c3637653.html, 。

核子结构论文夸克论文

核子结构论文夸克论文 基于强子袋模型的核子特征参数 摘要:我们把高能核碰撞环境下的核子质量看作是它的整个静止能量,它可以分为分别来自内部夸克和胶子的两部分。我们采用袋模型的本质意义去讨论核子的结构,发现我们计算得出的温度、核子半径、袋常数等参量均是可以接受的,如果我们把这样环境下的核子看成是一个由夸克和胶子组成的局域热平衡系统的话。 Abstract: We treat the mass of a proton as the total static energy which can be separated into two parts that come from the contribution of quarks and gluons respectively. We adopt the essential meaning of the bag model of hadron to discuss the structure of a proton and find that the calculated temperature, proton radius, the bag constant are acceptable if a proton is a thermal equilibrium system of quarks and gluons. 关键词:高能碰撞;核子;半径;夸克;袋模型 Key words: high-energy collision;nucleon;radium;quark;bag model 1概述 探索核子的内部结构一直是人们了解强相互作用的一个最重要课题之一。它也有助于人们去寻找强相互作用下新的一种物质形态-夸克胶子等离子体(QGP)。对这一问题的理论研究主要集中在量子色动力学(QCD)[1]。当然,也存在一些关于核子结构和其特征参

物质的形态有几种

物质的形态有几种

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物质的形态有几种 在生活中,我们常见到的物质的形态有三种,分别为固态、液态和气态。其特性如下:固体具有一定的形状,不容易被压缩; 液体没有固定的形状,具有流动性; 气体没有一定的形状,容易压缩,具有流动性。 那么,是不是物质的形态只有这三种呢?答案是否定的。 物质的形态有许多种,除了常见的固态、液态和气态外,还有等离子态、“夸克—胶子”等离子态、超流态、凝聚态、费米子凝聚态、“波色——爱因斯坦”凝聚态、超固态、简并态、中子态、超导态等,一般只有在实验室环境内才能见到这些另类的形态。 各种另类形态的介绍 等离子态 将气体加热,当其原子达到几千甚至上万摄氏度时,电子就会被原子"甩"掉,原子变成只带正电荷的离子。此时,电子和离子带的电荷相反,但数量相等,这种状态称做等离子态。 “夸克—胶子”等离子态 夸克-胶子等离子体顾名思义含有夸克与胶子,如同普通(强子)物质。这两种QCD的相态不同处在于:普通物质里,夸克要不是与反夸克成双成对而构成介子,或与另两个夸克构成重子(例如质子与中子)。在QGP,相对地,这些介子与强子失去了身分,而成为更大一坨的夸克与胶子。在普通物质,夸克是呈现色约束的;在QGP,夸克则不受约束。 超流态 超流体是一种物质状态,特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中,由于没有摩擦力,它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管,甚至能从碗中向上“滴” 出而逃逸。 凝聚态 所谓“凝聚态”,指的是由大量粒子组成,并且粒子间有很强相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。固态和液态是最常见的凝聚态。低温下的超流态,超导态,玻色- 爱因斯坦凝聚态,磁介质中的铁磁态,反铁磁态等,也都是凝聚态。

高能核物理前沿_探寻夸克_胶子等离子体_马余刚

高能核物理前沿:探寻夸克- 胶子等离子体 马余刚 对于我们身处的物质世界,现代物理学认为它是起源于约150亿至200亿年前的一次宇宙大爆炸。在宇宙的早期,物质的温度和密度都相当大,整个宇宙体系达到平衡。初始的宇宙间只有正反夸克、轻子、胶子等一些基本粒子形态的物质。宙间的物质主要是质子、电子、光 子和一些比较轻的原子核。当温度 降到几千度时,辐射减退,宇宙间 主要是气态物质,气体逐渐凝聚成 气云,再进一步形成各种各样的恒 星体系,成为我们今天看到的宇宙。 宇宙大爆炸学说是现代宇宙 生指出:20世纪物理学存在两大 疑难,其一是对称性丢失,其二是 夸克禁闭,疑难的解决,可能与真 空的结构有关。人们预期通过相对 论重离子碰撞形成高温高密极端条 件,改变真空的性质,从而解除夸 克禁闭产生出一种在夸克层次上的 图1 宇宙演化的示意图 (引自:D. E. Groom et al., Particle Data Group, The European Physical Journal C15 (2000))

图2 位于RHIC对撞机上的STAR探测器图示

3Λ)的衰变产物。 (a)(b) 得到碰撞顶点之后,对与碰撞顶点图3 STAR-TPC上探测到的粒子径迹。其中反氦3(3He)和p+是超氚核(H

4 高能重离子碰撞中产生的热密物质的化学势(a)、温度(b)随碰撞的质心系能量的关系 强作用物质的相图:数据点来自(a)、(b),曲线分别表示了宇宙早期的演化、格点QCD和口袋模型的计算得到的相边界。圆点代表数据。三角点代表可能的相变临界终点(引自:P. Braun-Munzinger,J.Stachel,The quest for the quark–gluon plasma,Nature448 302(2007))

冷夸克物质中的“夸克凝聚”现象

冷夸克物质中的“夸克凝聚”现象 来小禹徐仁新 中国,北京,北京大学物理学院,核物理与技术国家重点实验室 100871 摘要:有人提出,冷夸克物质中,在几个核密度下,由于强相互作用夸克会聚在一起形成“夸克簇”。这是因为在那里夸克间的弱耦合相互作用会显不足。如果簇间的势足够深,以至于能局部化晶格集群,那么我们可以推测冷夸克物质将会以固体状态出现(即形成晶体结构)。冷夸克物质这样的一种固体状态对于我们理解脉冲星那样的小体积的星体的不同表现形式是十分必要的,它并不服从第一原则。 关键词:夸克物质,中子星,脉冲星,核物质,量子色动力学。 PACS21.65.Qr, 97.60.Jd, 97.60.Gb 一、超核密度下物质物理性质的介绍 一方面,在超核密度下,对于冷物质的物理性质,脉冲星那样的小体积星体是绝好的实验室,它们无疑和夸克间基本的色相互作用有着密切联系。然而,对今天的物理学家来说,其中的挑战之一就是如何理解低能级下的强相互作用。尽管量子色动力学(QCD)被认为是描述初级强相互作用的基础理论,在高能级也已经被很好地检验,但是其在低能级下的非微扰性质使得我们在处理强相互作用下的粒子系统时非常棘手,尤其是几个核密度尺度下的冷物质情况。 另一方面,对于天体物理学家,理解脉冲星那样的小体积星体也是一个挑战,尽管第一颗脉冲星已经发现40多年了。特别关心的是这样的小体积星体的密度是否足够的高以至于导致非禁闭夸克(夸克物质)的出现。对比那些主导自由度为强子的中子星,由去掉禁制的夸克(及可能的胶子)作为主导自由度而组成的星体被称为夸克星(或者叫做奇异星体——因为奇夸克的存在)。存在可能的观测证据指出,脉冲星这样的星体就是夸克星。制作(形成)夸克星取决于冷夸克物质在超核密度下的状态,然而不幸的是,由于量子色

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