高能重离子碰撞与夸克
从强子物质到夸克物质的平滑过渡和sQGP的结构
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(2) 理论方面：
格点 QCD 预言：
✓ RHIC 能区，位于平滑过渡区(cross over)；
✓ 平衡过渡得到的夸克物质，在
强耦合。
高温下发生平滑过渡，这已经被格点QCD计算可靠 地得到了。
✓平滑过渡的微观机制是什么？ ✓平滑过渡与相变的区别在哪里？ 仍然是待考虑的问题。
不违背QCD的色禁闭。
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夸克的公有化运动形成键
➢ 两强子距离较远时，夸克间是禁闭势，夸克被禁 闭在单个强子内部；
➢ 当强子距离靠近时，两相邻强子间形成势垒，夸 克可以隧穿势垒，做公有化运动，左边轨道的夸克 有ε的概率跑到右边轨道； ➢ 当ε=1 时，成键，两强子结合成一个团。
键 ＝ 夸克对势垒的隧穿
定义：
，表示无穷大团出现的概率。
Crossover startsBiblioteka Crossover ends
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Crossover region
Sharply tends to infinity
sQGP turns to wQGP
根据 Sc Sc’ 决定μc ,μc’
根据量纲分析，假设
, 13/19
3.sQGP的结构
第十届全国粒子物理学术会议
从强子物质到夸克物质的平滑过渡 和sQGP的结构
发表在 PRL 100, 092301 (2008)
许明梅，喻梅凌，刘连寿 华中师范大学粒子所
1. 背景介绍 2. QCD 的平滑过渡 3. sQGP 的结构（其中包括一部分刚完成的后续工作） 4. 讨论与展望
2008-04-27 南京
物理学中的粒子碰撞与散射机制
物理学中的粒子碰撞与散射机制粒子碰撞和散射是物理学中的核心研究领域之一。
通过研究粒子之间的相互作用，我们可以深入了解物质的本质和宇宙的起源。
本文将讨论粒子碰撞和散射的基本概念和机制。
一、粒子碰撞和散射的基本概念粒子碰撞是指两个或更多粒子之间的物理触碰，其发生于宏观和微观尺度。
粒子可以是原子、分子或更小的基本粒子，如电子、质子等。
碰撞过程中，粒子之间会发生能量、动量和角动量的交换，从而导致速度和方向的改变。
粒子散射是指入射粒子与靶体（或其他粒子）之间的相互作用，使入射粒子偏离其原有的路径，并向不同的方向运动。
散射过程中，入射粒子的能量和动量也会改变，这取决于散射角度和散射截面。
二、粒子碰撞和散射的机制1. 电磁相互作用：粒子之间的电磁相互作用是粒子碰撞和散射的主要机制之一。
电荷粒子之间会相互排斥或吸引，这种相互作用力可导致粒子运动轨迹的改变。
2. 强相互作用：强相互作用是粒子碰撞和散射的另一个重要机制。
强相互作用牵涉到夸克之间的相互作用，构成了原子核和介子的结构。
在高能物理实验中，通过碰撞高能质子或重离子，研究夸克和胶子的行为成为了解强相互作用的有效手段。
3. 弱相互作用：弱相互作用负责放射性衰变和一些粒子之间的散射。
在粒子碰撞和散射实验中，研究弱相互作用可以揭示宇宙早期的物理条件。
4. 引力：在宏观尺度上，引力是粒子碰撞和散射的重要力量。
当质量较大的物体相互靠近时，它们之间会发生引力作用，导致轨迹的改变和散射。
三、粒子碰撞与散射的应用1. 研究物质结构：通过粒子碰撞和散射，科学家可以研究物质的内部结构和组成。
使用高能粒子加速器，可以将粒子加速到极高的速度，进行粒子对撞实验，进而观察粒子碰撞时所产生的新粒子，揭示物质的微观世界。
2. 了解宇宙起源：粒子碰撞和散射实验有助于解开宇宙起源和演化的奥秘。
通过模拟宇宙早期的条件和粒子之间的相互作用，科学家可以更好地理解大爆炸理论和暗物质等宇宙现象。
3. 医学应用：粒子碰撞和散射也在医学领域有重要应用。
夸克组合模型及其在重离子碰撞中的应用
奇 异 抑制 因子 是 产生 的 ｓ 克 数 与 ｕ或 ｄ 夸
中的应用
３ １ 相对论 重离 子 碰撞 Ｒ Ｃ 和 夸 克胶 子 等 离 子 ． ＨＩ
体 ＱＧＰ Ｑ Ｄ的色 禁 闭使 得 强 子 成 为 强 相互 作 用 下 唯 Ｃ
一
异夸克 数与非 奇异 夸 克 数 不 相等 ， 引 进 奇异 抑 制 故
ｇ 或 ， ｇ 则进 行第 三步．
计算 ． 另外 ， 与正 负 电子 碰撞 中取 一维 的快度 近关联
不同， 在重 离子碰撞 中我 们 要 把 夸 克组 合 律 从一 维 推广 到 三 维 ， 横 向 上 加 上 尸ｒ 等 或 相 近 的 条 在 相
件…．
３ 观 察第 三个 部 分子 的类 型 ． 果第 三 个部 分 、 如 子 的重子数 与第一 个 部 分子 的不 同 ， 一 个 部分 子 第 将 与第三个 形成介 子 并 从快 度 轴 中移 出 ， 回第 一 返
因子 入． 正负 电子湮 灭 中 ， 有净 夸 克 ， 在 没 所有 的夸
区应该 产生 Ｑ Ｐ 因此 相 对论 重 离子 碰 撞 反应 的过 Ｇ ， 程 即为 碰 撞—— 产 生 Ｑ Ｐ — Ｑ Ｐ膨 胀 冷 却— — Ｇ— Ｇ
强子 化．
由此谢去 病等 人 总 结 出夸 克 组合 律 Ｑ Ｒ 的基 Ｃ
本 步骤 （ 并且 可 以证 明 ， Ｃ Ｑ Ｒ可 以 唯一 确定 所 有 夸 克的组合 方式 ） ：
用． 个夸 克的快度 差别越 小 ， 之 间相互作 用 的 两 它们 时 间越 长 ， 因此 有足 够 的时 间使一个 成为 色单 态
并组成 一个介 子． 如果前两个 夸 克不是 ｑ 口而是 同型夸 克 ， 例如 一 个正 夸 克对 钾． 可 以处 在六 重态 或 反三 重 态． 钾 如
重离子碰撞实验中的物理现象
重离子碰撞实验中的物理现象在探索物质微观结构和宇宙早期状态的征程中，重离子碰撞实验无疑是一项极其重要的研究手段。
通过让高速运动的重离子相互碰撞，科学家们能够在极小的空间和极短的时间内创造出极端的高温高密环境，从而揭示出许多令人惊叹的物理现象。
首先，我们来谈谈夸克胶子等离子体（QGP）的形成。
在重离子碰撞的瞬间，巨大的能量会使原子核内的质子和中子“融化”，原本被束缚在其中的夸克和胶子获得自由，形成一种新的物质状态——夸克胶子等离子体。
这种等离子体具有非常特殊的性质，例如极低的粘滞性和极高的能量密度。
科学家们通过研究夸克胶子等离子体的特性，可以深入了解强相互作用的本质，这是自然界四种基本相互作用之一。
在重离子碰撞实验中，还会出现集体流现象。
集体流是指大量粒子在碰撞过程中表现出的整体运动模式。
它可以分为径向流、椭圆流和三角流等不同类型。
径向流表现为粒子沿着碰撞中心的径向方向向外喷射，就好像是从一个爆炸的中心向外扩散一样。
椭圆流则反映了碰撞系统的初始空间不对称性，而三角流则更为复杂，与碰撞系统的更高阶的对称性有关。
这些集体流现象的研究对于理解物质在极端条件下的动力学行为具有重要意义。
另外，重离子碰撞还会产生大量的粒子。
这些粒子包括各种介子、重子以及它们的反粒子。
通过对这些粒子的产生和衰变过程进行研究，科学家们可以探索物质和反物质之间的对称性破缺、粒子的质量起源等重要问题。
例如，在重离子碰撞中产生的奇异粒子，如奇异夸克组成的粒子，其产生和演化过程能够为我们提供关于夸克之间相互作用以及物质结构的宝贵信息。
同时，我们不能忽视的是重离子碰撞中的能量损失机制。
当重离子以极高的能量相互碰撞时，入射离子会在碰撞过程中损失大量的能量。
这些能量一部分转化为新产生粒子的动能，另一部分则被碰撞区域的介质吸收。
研究能量损失的机制有助于我们更好地理解物质在高温高密环境下的能量传递和转化过程。
此外，重离子碰撞实验还为研究相对论效应提供了绝佳的机会。
强相互作用中的夸克胶子等离子体
强相互作用中的夸克胶子等离子体在粒子物理学中，夸克和胶子是构成一切物质的基本粒子。
而强相互作用则是其中最重要、最基础的一种力。
当夸克和胶子在高能环境下高速运动时，它们之间的相互作用会变得十分强烈，甚至形成一种新的物质状态——夸克胶子等离子体。
夸克胶子等离子体是一种极端条件下的物质状态，在我们对物质世界的认识中具有重要的意义。
夸克胶子等离子体最早是在重离子碰撞实验中被发现的。
当高能重离子在碰撞中产生巨大的能量密度时，夸克和胶子的数量会急剧增加，它们之间的相互作用也变得非常激烈。
这时的夸克胶子等离子体类似于宇宙大爆炸后的早期宇宙，处于极高温和高密度的状态。
由于夸克和胶子之间的相互作用非常强烈，这种等离子体没有固定的夸克或胶子，而是由大量的夸克和胶子相互纠缠形成的。
这种状态让我们能够研究夸克和胶子之间相互作用的性质，从而更好地理解基本粒子的本质。
夸克胶子等离子体研究的一个重要方面是其热力学性质。
由于夸克胶子等离子体的高温和高密度，它具有热力学上的特殊行为。
例如，夸克胶子等离子体的热容非常小，意味着即使外部给予了一定的能量，它的温度也不会有很大的变化。
这与常规物质的热容性质完全不同，是因为在夸克胶子等离子体中，能量会迅速被夸克和胶子之间的相互作用平均分配，使得温度的变化相对较小。
夸克胶子等离子体的热容性质在宇宙早期的宇宙学研究中也发挥了重要作用。
另一方面，夸克胶子等离子体还具有高度的流体特性。
由于夸克胶子等离子体中存在大量粒子的运动，它可以流动起来，并表现出流体的行为。
这种流动性在实验中得到了直接的证实，并通过流体动力学的分析得以进一步研究。
夸克胶子等离子体的流动性质让我们更好地理解了强相互作用力在高能环境下的表现，同时也为我们提供了探索这一领域的新途径。
夸克胶子等离子体的研究对于理解早期宇宙和强相互作用力的研究具有重要的意义。
通过模拟和实验，我们能够更加深入地研究夸克和胶子之间的相互作用，了解它们在极端环境下的行为。
看对撞机中夸克合并现象
看对撞机中夸克合并现象在大型强子对撞机中发现“夸克合并”的证据2024年3月6日夸克凝聚器:几年前升级的大型强子对撞机实验。
(提供:MaximilienBrice/CERN)从事大型强子对撞机(LHC)实验的物理学家已经发现了“夸克聚结”在大型强子对撞机(LHC)质子碰撞后夸克向强子演化的过程中发挥作用的证据。
这种机制最初是在20世纪80年代提出的，它将具有重叠波函数的现有夸克组合在一起，而不是产生新的夸克。
它在低横向动量时最为明显，并随着夸克迅速逃离碰撞点而逐渐消失。
夸克是构成原子核内质子和中子的粒子，以及许多其他能感受到强相互作用的强子(重粒子)。
它们最奇怪的特征之一是永远不能孤立地观察它们。
主要原因是，引力、电磁和弱相互作用的强度都随着距离的增加而下降，而强相互作用的效果随着束缚夸克的进一步分离而增强。
如果夸克相距足够远，则介导强相互作用的胶子场包含足够的能量来产生粒子-反粒子对。
这些粒子与原来的夸克结合，产生新的束缚粒子，这些粒子要么是介子(一个夸克和一个反夸克的组合)，要么是重子(由三个夸克组成)。
这个过程被称为碎片化。
“如果你有三个相互重叠的夸克，你把它们冻结成一个重子;如果你有两个重叠的夸克，你把它们冻结成一个介子;如果你有一个夸克没有与任何其他夸克重叠，它就会分裂，”达勒姆解释说。
“因此，合并将碰撞中产生的夸克粘在一起;碎片化需要你从真空中制造新的夸克。
”达勒姆说，重离子碰撞中的聚结现象已被“普遍接受”，因为否则很难解释实验中产生的质子与介子的比例。
然而，重离子碰撞是混乱的，理论预测不可避免地不精确。
在新的研究中，LHCb团队研究了质子-质子碰撞中b夸克的产生。
b夸克有时被称为底夸克或美夸克，它是粒子物理标准模型中质量第二大的夸克。
b夸克的产生几乎肯定会产生b重子或B0介子，两者都包含一个b夸克。
这两者之间的产生比例已经在实验中得到了广泛的研究，在实验中，b夸克是由电子-正电子碰撞产生的，这个过程只会导致碎片化。
高能重离子碰撞
当两个高能核发生碰撞时，相互作用区域会发射许多粒子。
由于全同粒子的交换对称性，发射出的全同粒子具有玻色-爱因斯坦关联，又称HBT关联。
利用全同粒子携带的信息可以测量碰撞区域时空信息和相干性。
正反粒子的背对背关联(Back-to-Back Correlations)，简称BB 关联，与一对动量相反的粒子有关，它的出现是由于高密度发射源内的粒子质量位移。
本文用量子力学的波函数法推导了两粒子关联函数，并利用量子场论的知识研究了含质量位移效应的背对背关联和玻色-爱因斯坦关联函数。
由于实际的粒子发射源并非静态，而应该是随时间膨胀，考虑有限发射时间的影响，本文引入源的衰变随时间变化的分布，对含质量位移的HBT关联函数进行了修正。
这正是本文的创新点。
1. 高能重离子碰撞物理学1.1 高能重离子碰撞物理学简介在高能重离子碰撞以又称为高能核-核碰撞，通过高能重离子碰撞来产生极端高温度、高密度的核物质，研究产物的性质以寻找、探测可能存在的新物质相。
美国布鲁克海文实国家验室的相对论重离子对撞机RHIC和欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC 都在做当前能量最高的相对论重离子碰撞实验。
1.2 相对论重离子碰撞的演化过程两核以较高能量碰撞时中心区域能量密度很高，靶核和入射核被高度激发后都会发生碎裂而产生了大量新粒子。
对高能核-核碰撞过程从时间上划分为四个阶段：初始阶段、压缩阶段、膨胀阶段、实验观察阶段。
1.3 夸克-胶子等离子体(QGP)自然界存在QGP的地方可能有两个，一是大爆炸后10μs左右的温度极高的初期宇宙；另一个则是重子数密度极高的中子星内部。
夸克被囚禁在强子内故不存在单个自由夸克。
QCD理论预测极高温度或极高密度下可能打破夸克禁闭形成“夸克—胶子等离子体”。
当前物理学存在两个谜题：夸克禁闭和破却的对称性，都有望在QGP 中得到解答。
1.4 强度干涉学强度干涉学最早是利用光子的强度干涉来测量星体的角径。
HBT关联与同时测量两个时空点上光子强度有关，关联程度依赖于发射源的角径。
重离子碰撞中的同位旋效应
重离子碰撞中的同位旋效应
重离子碰撞是一种高能物理实验，它可以模拟宇宙中极端条件下的物理过程，例如恒星内部的核聚变反应和超新星爆炸。
在这种实验中，两个重离子（例如铅离子）以极高的速度相撞，产生极高的温度和密度，形成一种称为夸克-胶子等离子体的物质状态。
在这种物质状态下，同位旋效应是一个非常重要的现象。
同位旋是指原子核中质子和中子的总数相同的核素所具有的特殊性质。
例如，氢原子核只有一个质子，因此它的同位旋为1/2；而氦原子核有两个质子和两个中子，因此它的同位旋为0。
同位旋对于原子核的稳定性和反应性质都有很大的影响。
在重离子碰撞中，同位旋效应表现为同位旋相同的核素之间的相互作用比同位旋不同的核素之间的相互作用更强。
这是因为同位旋相同的核素具有相似的核子排布和能级结构，因此它们之间的相互作用更容易发生。
这种效应在夸克-胶子等离子体中尤为明显，因为在这种物质状态下，核子之间的相互作用非常强烈，而同位旋效应可以帮助我们更好地理解这种相互作用。
同位旋效应在重离子碰撞中的研究对于我们理解宇宙中的物理过程具有重要意义。
例如，在超新星爆炸中，同位旋效应可以影响核反应的速率和路径，从而影响爆炸的能量释放和物质喷射。
因此，通过研究同位旋效应，我们可以更好地理解宇宙中的物理过程，从而更好地理解宇宙的演化和结构。
同位旋效应是重离子碰撞中一个非常重要的现象，它可以帮助我们更好地理解夸克-胶子等离子体中核子之间的相互作用。
通过研究同位旋效应，我们可以更好地理解宇宙中的物理过程，从而更好地理解宇宙的演化和结构。
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13．高能重离子碰撞与夸克—胶子等离子体核阻塞能力，如核子—核和核—核碰撞所揭示的，表示的是发生碰撞的核物质在碰撞过程中所
实际损失的能量部分。
由于碰撞核物质所损失的能量堆积在质心附近，因而高能核—核碰撞提供了一种能够产生非常高能量密度区域的极好手段。
13．1核阻塞能力与重子量
“核阻塞能力”用来表示一个入射核子在与另一个核碰撞时所受到的核物质的阻塞程度。
除了是用来描述反应机制的一个重要的方面，核阻塞能力也与夸克—胶子等离子体的形成问题有
关。
由于在入射核物质损失动能的同时伴随着大量的粒子产生（主要是PI介子），因此在高能核—核中心碰撞中，一大部分的纵向能量转化为在碰撞系统质心附近产生的强子物质的能量。
核—核碰撞的阻塞程度将提示在质心附近的能量密度是否足够高，以致可以发生相变导致形成夸克—胶子等离子体。
高能重离碰撞可以被分成两个不同的能量区域：即每核子
的“无重子夸克—胶子等离子体”区域（或“纯夸克—胶子等离子体”区域），和每核子5-
≈的“丰重子夸克—s10
GeV
胶子等离子体”区域（或“阻塞”区域），这对应于在实验室系中
每入射核子的能量大约几十个ＧeＶ.在无重子夸克—胶子等离子体区域，我们需要知道核阻塞能力以确定是否入射重子及靶重未被完全阻塞，而在质心区域只留下重子量很小的夸克—
胶子等离子体。
在丰重子夸克—胶子等离体区事阻塞区，根据核阻塞能力可以确定碰撞重子是否在质心系中被阻塞，并且堆积而形成一种重子密度很大的夸克—胶子等离子体。
对在质心系中每个核子能量为几个GeV的碰撞，由于入射快度和靶核快度间差距为3—4个单位和洛仑兹收缩使得产生物质的重子密度可能非常高。
在这样高的重子密度下，重
子物质的基态可能是解禁闭的夸克—胶子等离子体相，而不是处在强子相。
在这样的情况下会发生从强子相物质到解禁闭夸克—胶子等离子体的相变，在阻塞区域产生高重子量的夸克—
胶子等离子体。
在图13.1中给出了WA80
合作组所做的16O对各种靶碰撞的实验结果。
如果入射粒子没有被有效地阻塞，如靶核非常小的情况，则入射核损失大的入射能量的几率是非常小的。
另一方面，当靶核足够厚并且碰撞参量
足够小时，向前能量的传播将大为减少。
从图中可以看出，当靶核从C到Au 变化时，核的半径越来越大，非弹性散射质子的向前能量分布的最高峰，从接近于入射能量处移到只相当于入
射能量的一小部分的能量处。
图13.2中显示的质子数据主要
来自由于碰撞而减速的重子，而不是来逢于碰撞过程中重—反重子对的产生，这种产生对中心快度区域的贡献可以通过对较高能量下的Λ和Λ产额差的测量来显示。
14.6 AGeV的Si+Al
的碰撞，入射束快度是 3.35,快度的分布在中心快度区有一个宽的平台，其数值几乎是一个常数。
平均来说，一个重子的快度被平移了约1.5快度单位，且重子的快度分布在一个宽的范围
之内。
对于像Si和Al这样的小入射核和靶核的碰撞来说，这样大的快度平移意味着在重核的碰撞中，重子阻塞是非常重要的。
在涉及重核的高能核—核中心碰撞中，重子物质将被减速并
且失去几个单位的快度。
如果入射重子和靶重子的快度的间隔远大于几个单位，则在一次中心碰撞后，入射重子和靶重子的快度将远离中心快度区。
当这种情况发生时，中心快度区的净重子
量将是非常小的。
对于质心系中每核子能量为100GeV的核—核碰撞，入射快度与靶快度的间隔为10.7个单位。
入射快度同靶的快度间隔大得足以产生一种低重子量的中心快度区。
在这
些能量下的反应对于研究“无重子的夸克—胶子等离子体”区域将是有用的。
13.2高能核—核碰撞初始能量密度的Bjorken估计
考察在质心系中的两个相同核
的对头碰撞。
由于在纵向上有显著的洛伦兹收缩，可以用两个薄圆盘来表示两个碰撞的核。
只考虑高能的极端情况，这时可以忽略纵向的厚度，同一核中核子的纵向坐标都可以近似认为是相
同的。
图13.3(a)给出了在质心系中两个核碰撞前的图象，来自于z且速度接近于光速的入=
-∞
射核B，与来自于+∞
z，速度
=
也接近于光速的靶核A在时空
点（z,t）=(0,0)相遇，两个核中的核子发生碰撞。
每次非弹性核子—核子碰撞都伴随着大量的碰撞重子的能量损失。
由于重子损失了能量和动量，它们在碰撞后速度就会降低，但当能量非常高时，碰撞后
减速的重子仍可能有足够的动量前进，并离开碰撞区。
如图13.3(b)所示。
其中碰撞后的入射重子物质用B`表示，靶核重子物质用A`表示。
重子损失的能量积累在z=0附近区域，这种
能量积累的本质上是近似可叠加的。
因此，当碰撞的核物质B`和A`在碰撞后彼此离开时（如果它们没有被阻塞），在一个短时间内会有大量的能量积累在一个小的空间区域内，这样
在碰撞区产生的物质全有非常高的能量密度，但净重子量却很小。
Z=0碰撞区域附近积累的能量的量子可以是夸克、胶子或强子，在这一区域的能量密度很
高，由此导致了Bjorken设想。
如图13.4所示
13.3 夸克—胶子等离子体流体
动力学
在夸克—胶子等离子体的流体动力学的描述中，在系统演化的不同时空点上，系统的全部动力学由能量密度场 ，压力场P，温度场T，以及四速度场
τμμd dx u /=来描述。
在一个时空点的能量密度和压力P 是在以该点的流元速度为零的坐标系中测量的，在这个坐标系F*中，
该点的速度（u*0, u*1, u*2, u*3）
为（1，0，0，0）。
能量密度ε，
压力P 及温度T 之间的关系满足态方程),(T P εε=。
能量动量张量μν
T 定义为在垂直于ν方向的每单位三维表面积上没方向的动量。
这样，T 00就是在垂直于第0方向的每
单位三维表面积上沿第0方向的动量（能量）。
垂直于第0方向的三维表面积就是空间的体积。
因此，在流为静止的系F*中，我们有：ε=∆∆∆∆=32100*x
x x E T 类似地，对i,j=1,2,3,T ij 就是在
垂直于第j 方向的单位三维表面积上沿第i 方向的动量。
垂直于第１方向的三维表面元为32x x t ∆∆∆，因而在参照系Ｆ*中能量动量张量T*11为321
11*x x t P T ∆∆∆∆=
t P ∆∆1
是作用在单位质量上于沿第1方向的力，作用在{2，3}方向的每单位面积的单位质量上沿第1方向的力，就是在{2，3}表面上沿第1方向的压力，因此，对一个压力是各向同性的
流，我们有：
*
ij
ij P
=
Tδ
（13．6）和（13.7）式给了邮当流元处于静止时，以能量密度和压力表示的能量动量张量。
在任何其他参照系F中，所考虑
的流元以四速度μu 运动，其能量
张量μνT 能够通过张量变换，由
能量动量张量μν*T 而得到。
在进
行了这种变换（18）后，可以得
到
P g u u P T μννμμνε-+=)(。