Study of Heavy Flavours from Muons Measured with the ALICE Detector in Proton-Proton and PDF
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Numéro d’ordre : DU 2240 PCCF T 1201 EDSF : 714 CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY UNIVERSITÉ BLAISE PASCAL P H D T H E S I S présentée pour obtenir le grade de DOCTOR OF UNIVERSITY Spécialité : Physique Corpusculaire Par Zhang Xiaoming Study of Heavy Flavours from Muons Measured with the ALICE Detector in Proton–Proton and Heavy-Ion Collisions at the CERN-LHC defended on May 23, 2012 Jury : Rapporteurs: B. Erazmus - CNRS, CERN, Genève G. Martinez Garcia - CNRS, SUBATECH, Nantes Examinateurs: X. Cai - CCNU, Wuhan H. Chen - USTC, Hefei Y. Ma - SINAP, Shanghai Directeurs de thèse: N. Bastid - LPC, Clermont-Ferrand P. Crochet - LPC, Clermont-Ferrand D. Zhou - CCNU, Wuhan 分类号 密级 U D C 编号 博 士 学 位 论 文 题目：LHC/ALICE 实验向前区 重夸克物理的研究 张 晓 明 学 位 申 请 人 姓 名: 全日制博士 申请学位学生类别: 申请学位学科专业: 粒子物理与原子核物理 周代翠 教授 指 导 教 师 姓 名: 菲利普•胡克 资深研究员 妮可•巴斯蒂 教授 博士学位论文 LHC/ALICE 实验向前区重夸克物理的研究 论文作者：张晓明 指导教师：周代翠 教授 菲利普•胡克 资深研究员 妮可•巴斯蒂 教授 学科专业：粒子物理与原子核物理 研究方向：高能重离子碰撞实验 华中师范大学物理科学与技术学院 2012 年 5 月 Dissertation Study of Heavy Flavours from Muons Measured with the ALICE Detector in Proton-Proton and Heavy-Ion Collisions at the CERN-LHC By Xiaoming Zhang Supervisors: Pr. Daicui Zhou Dr. Philippe Crochet Pr. Nicole Bastid Specialty: Particle Physics and Nuclear Physics Research Area: Heavy-Ion Collision Experiment College of Physical Science and Technology Central China Normal University May 2012 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定） 保密论文注释：本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本人已经认真阅读“CALIS 高校学位论文全文数据库发布章程”,同意将本人的 学位论文提交“CALIS 高校学位论文全文数据库”中全文发布,并可按“章程”中的 规定享受相关权益。同意论文提交后滞后：□半年；□一年；□二年发布。 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘要 宇宙中的可见物质是由那些基本粒子组成的？这些基本粒子间的相互作用又 有那些特性？一直是人类不断探寻自然界奥秘的过程中试图解决的最基本也是最 关键的问题。 标准模型告诉我们，宇宙中所有的可见物质都是由夸克和轻子构成的，不同 种类的玻色子（如光子，胶子等）用以传播它们之间不同种类的相互作用。夸克 和轻子被统称为基本粒子。传播相互作用的玻色子被称为规范粒子。通过 Higgs机 制，Yang-Mils 场中的规范粒子通过吃掉由真空对称性破缺而产生的 Goldstone 粒 子而获得质量。与此同时，规范粒子和基本粒子间的 Yukawa耦合使得基本粒子也 获得了其在物理真空中的质量（由于对不同基本粒子质量的测量和定义方法不 同，其在物理真空中质量的名称也不同，对于夸克，在不太严格的条件下，其在 物理真空中的质量可以笼统的称为流质量）。基于标准模型，普通的强子（如构 成原子核的质子和中子）都是由夸克组成的，胶子用以传播夸克间的强相互作 用。夸克和胶子又被统称为部份子。体现强相互作用的荷被称为色荷。类比于描 述电磁相互作用的量子电动力学，用以描述强相互作用的理论被称为量子色动力 学（另外，弱相互作用中的荷被称为味荷，早期也存在量子味动力学用以描述弱 相互作用，但后来被并入电弱统一理论中）。 众所周知，在量子电动力学中，由于涨落而产生的极化，物理真空可被视为 电介质。而在量子色动力学（QCD）中，由于胶子所存在的自相互作用，物理真 空中同时存在着色荷的极化和反极化，在通常条件下，其总体效应使得物理真空 等价于色导体。与电导体内部不存在净电荷向相对应，在可被视为色导体的物理 真空中也不存在自由的色荷。部份子（夸克和胶子）被“囚禁”在强子之中。这一 特性被称为色禁闭或夸克“囚禁”。同时，色禁闭也解释了为何到目前为止，在通 常条件下从未明确观测到自由的部份子。从另一角度，可以做如下推想：当空间 中的色荷距离越来越近，无论是色极化或色反极化都将越来越弱，而在物理真空 中出现自由的部份子。也就是说，不同于电磁相互作用和弱相互作用，强相互作 用是随着部份子间的距离减小而减弱的，而当部份子间的距离增大时强相互作用 会增强。强相互作用的这一特性已在理论上被 QCD 耦合常数对虚度的依赖性的研 究所证实，而且随后的大量实验观测也完全符合并肯定了这一理论结论。不仅如 此，格点量子色动力学（lQCD）进一步预言了在极端高温和/或高重子数密度的条 件下，将发生由普通强子物质相到退禁闭的夸克－胶子－等离子体（QGP）相的 强相互作用相变。而且，基于 lQCD的计算，在低重子数密度的条件下，退禁闭相 i 变还会伴随着手征对称性的恢复，及在生成的 QGP 内，微扰真空会向物理真空回 归，而夸克在强子内的组份质量也会回归到其在物理真空内的流质量。目前，退 禁闭的 QGP 物质被认为存在于大爆炸后约 1s的早期宇宙，而且现在还存在于中 子星内部。基于上述结论，对 QGP 特性的研究，不仅对掌握强相互作用的性质以 及宇宙中可见物质的质量产生机制起到非常关键的作用，而且还有助于了解早期 宇宙及其演化。因此，对退禁闭相变过程和 QGP 物质特性的研究已成为当前高能 物理领域最重要的前沿课题。 高能重离子碰撞是在实验室条件下实现退禁闭相变的唯一途径。在碰撞过程 中，首先，两个入射原子核被加速到接近于光速，然后进行碰撞并把它们的绝大 部分能量沉积在碰撞区域，使得碰撞区域内具有超高的能量密度而达到发生退禁 闭相变的条件，从而在碰撞区域内产生自由的夸克和胶子，及 QGP 物质。随着 QGP 系统的膨胀，其内部温度也迅速降低，而使整个体系回到强子相（强子气） 然后形成末态所能观测到的各种粒子。在过去的 30 年中，一系列重离子加速器如 SPS，AGS 和 RHIC 先后被建造，并获得了丰富的实验证据表明 QGP 物质相的存 在。其中具有代表性的有： 1. SPS能区， a. 奇异粒子产额的增强以及低质量共振态分布的修正，被解释为手征 对称性在退禁闭物质相中的恢复而使得奇异夸克在 QGP 物质中产生阈 值的降低; b. J/粒子产额的压低，被认为是粲夸克偶素（cc ）在 QGP 物质里的 色 Debye屏蔽势的作用下熔解而导致的； 2. RHIC能区， a. 光子产额的增高，体现了退禁闭的 QGP物质的热辐射； b. 椭圆流对组份夸克数的标度性，揭示了部份子在 QGP 内的热化自由 度； c. 高横动量强子谱的压低以及背对背喷注关联的减弱，反映了高横动 量部份子在穿越 QGP 物质时，与 QGP 介质发生强相互作用而引起的能 量损失。 以上结果充分表明了 QGP 物质的存在，对于当前的研究而言，所面临的问题 便是对其特性进行系统而深入的研究。 基于此目的，位于欧洲核子研究中心（CERN）目前世界上最大的大型强子对 撞机（LHC）于 2009 年底正式运行，并在 2010 年底首次获取了两体质心能量为 s 2.76 TeV的铅－铅碰撞数据。在 LHC 能区，由于其高出在 RHIC 能区（两 NN ii
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