董 剛

淺談高能重離子碰撞及徑向流

董 剛

徑向集體流是高能重離子碰撞物理學(xué)研究中十分重要的實驗可觀測量，它能夠把碰撞過程中壓縮和膨脹階段的部分信息帶到碰撞的末態(tài)，通過對徑向流的分析可還原碰撞過程中的信息。

高能；重離子；碰撞；徑向流

一 高能重離子碰撞物理簡介

原子核的研究起源于20世紀初。1911年，盧瑟福著名的α粒子散射試驗證實了原子核的存在，從此原子核的研究開始被人們所認知。隨著量子理論和實驗手段的發(fā)展，人們對原子核的認識也不斷深入，人們了解了原子核的大小和密度，了解了原子核內(nèi)物質(zhì)的激發(fā)態(tài)、自旋等概念，核能的應(yīng)用也應(yīng)運而生，這些都離不開對原子核的深入理解和核物理學(xué)的迅速發(fā)展。

高能重離子碰撞物理學(xué)，也稱相對論核—核碰撞物理學(xué)，是20世紀70年代以來形成的一個研究領(lǐng)域，這個研究領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成為一門介于粒子物理和原子核物理之間的交叉學(xué)科。這一學(xué)科的研究目標(biāo)是在相對論能量下產(chǎn)生并研究重離子碰撞中可能形成的極端高溫度、高密度核物質(zhì)的性質(zhì)，探索新的核物質(zhì)相。

圖1-1 理論上推測的核物質(zhì)溫度—密度相圖[1,2]

圖1-1是理論上推測的核物質(zhì)溫度—密度相圖[1,2]。核物理學(xué)傳統(tǒng)的研究領(lǐng)域僅僅是圖中左下角一個很小的區(qū)域，這一區(qū)域類似于液態(tài)的核物質(zhì)，一般可以用核的液滴模型來描述。這一區(qū)域分布在ρ～ρ0,T～0MeV附近，這里ρ0=0.15fm-3，是通常條件下核物質(zhì)的密度。在這個相圖上還有一個更大的范圍是未知的。根據(jù)理論計算推測，隨著溫度的升高，核物質(zhì)將發(fā)生由液態(tài)到氣態(tài)的相變。這種氣體包含核子、π介子以及其它主要強子，一般稱之為強子氣體。在溫度Tlt;20MeV，ρlt;ρ0時，核物質(zhì)的液氣相變就能夠發(fā)生。在更高的密度(ρ～3-5ρ0)和相對低的溫度下，核物質(zhì)將呈晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)凝聚相。在極端高密度(ρ～5-10ρ0)和高溫度(T～150-200MeV)條件下，可能出現(xiàn)強子物質(zhì)到夸克—膠子等離子體的消禁相變[3,4]。通過實驗室產(chǎn)生并研究處于這種極端條件下核物質(zhì)的性質(zhì)，可以檢驗這些理論預(yù)言。

在人工產(chǎn)生極端條件下核物質(zhì)之前，人們只能依賴那些非常有限和稀有的天然事件，因為只有在宇宙射線中能觀察到大于20 AMeV的重離子束[5,6]。測量這些天然重離子反應(yīng)涉及到的技術(shù)復(fù)雜性強烈地限制了事件記錄的數(shù)目，這極大地制約了高能重離子物理學(xué)的發(fā)展。直到20世紀70年代中期，伴隨著重離子加速器的產(chǎn)生，人們擁有了在實驗室開展重離子碰撞實驗的重要手段。那時，美國LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)實驗室的Bevalac加速器已經(jīng)能夠把重離子加速到每核子具有上百個MeV甚至超過一個GeV的入射能量。人們最初把這一能量范圍稱為相對論能區(qū)，但隨著加速器能量的逐步提高，相對論能區(qū)的概念也已經(jīng)日益翻新。目前，正在運行的位于美國BNL(Brookhaven National Laboratory)實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)已經(jīng)把這一能量范圍的上限提高到了200GeV的水平。隨著這些高能重離子加速器的出現(xiàn)，使人們在實驗室條件下探索高溫度、高密度、高壓力等極端條件下核物質(zhì)的性質(zhì)成為了可能，為系統(tǒng)地研究高能核物理提供了堅實的實驗基礎(chǔ)。

通過對這種高溫度、高壓力條件下核物質(zhì)的性質(zhì)的探究，不僅對了解核物理學(xué)中夸克-膠子等離子體QCD相變等問題十分重要，還對天體物理學(xué)中超新星爆發(fā)和中子星結(jié)構(gòu)等問題的解決也起到關(guān)鍵作用[7-10]，從而引起了物理學(xué)界的廣泛興趣。對這一領(lǐng)域的深入研究，使核物理學(xué)、粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)等學(xué)科交織在一起，形成了相對論重離子碰撞物理學(xué)。

一般來說，相對論核-核碰撞過程可以分為四個階段。第一階段為初始階段，此時入射核被加速到一定的入射能量，但入射核與靶核尚未發(fā)生實質(zhì)性的接觸，這時入射核與靶核均處于基態(tài)，屬于入射核加速階段，它們的性質(zhì)可以由核物理傳統(tǒng)理論來描述；第二階段為壓縮階段，入射核和靶核開始有實質(zhì)性的接觸，發(fā)生相互作用，在其重疊的區(qū)域形成了高溫度、高密度核物質(zhì)，這是我們最為關(guān)注的階段；第三階段是膨脹階段，被壓縮的核物質(zhì)向外擴展，核物質(zhì)的密度由于膨脹而逐漸變小，這一過程中，有可能發(fā)生液氣相變及多重碎裂；碰轉(zhuǎn)過程的最后階段是實驗觀察階段，這時碰撞物質(zhì)由最初的兩個核轉(zhuǎn)化成大量的末態(tài)粒子和碎片，探測器記錄的就是這些末態(tài)產(chǎn)物的信息。

在整個的核-核碰撞過程中，我們要研究的是壓縮和膨脹階段所建立起來的極端高溫、高密度的核物質(zhì)的產(chǎn)生機制和性質(zhì)，但這個階段時間很短，在實驗上無法直接測量和分析這一階段的核物質(zhì)，只能由實驗中的末態(tài)可觀測量來間接地加以推測。然而，有關(guān)碰撞最密集階段的大部分信息基本上都在末態(tài)時淹沒了，如何找到對碰撞早期和中間演化過程敏感的末態(tài)可觀測量就成為該研究領(lǐng)域中首要的問題。對此，人們進行了大量的理論和實驗探索，隨著實驗技術(shù)的進步和理論的發(fā)展，強度干涉學(xué)、集體流分析和各種模型理論等研究工具，從不同的角度，用不同的方法，分別探索了高能重離子反應(yīng)的機制和激發(fā)核物質(zhì)的性質(zhì)。

90年代初在美國LBNL實驗室的Bevalac加速器產(chǎn)生的0.25-1.2 AGeV的Au+Au碰撞，和90年代中期在BNL實驗室AGS加速器產(chǎn)生的2.0-8.0 AGeV的Au+Au碰撞進行徑向流研究，以期獲得徑向流激發(fā)函數(shù)，即徑向流隨入射束能量的變化關(guān)系。

二 集體膨脹和徑向流

核物質(zhì)集體流是近30年來實驗上與理論上都非常感興趣的研究課題之一。早在上世紀末，人們就已經(jīng)在高能重離子對心碰撞中發(fā)現(xiàn)了徑向集體膨脹。對于一個處于完全熱平衡態(tài)的粒子系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)粒子的運動應(yīng)是完全無規(guī)則的隨機的熱運動，沒有運動的傾向性或有序性。

而對于不是處于完全熱平衡的粒子系統(tǒng)就會出現(xiàn)某種整體的傾向性，也就是在粒子的無規(guī)則熱運動之上還要疊加一個整體有序運動，人們通常把這種系統(tǒng)內(nèi)粒子整體的定向運動稱之為“流”(flow)。

通過核流體動力的計算，可以得出當(dāng)兩個重核以相對論能量發(fā)生激烈的對頭碰撞時，相互作用區(qū)域的核物質(zhì)被壓縮和加熱，形成高溫度、高密度狀態(tài)，形成核物質(zhì)的沖擊波，碰撞后這種壓縮階段形成的這種壓縮勢能將轉(zhuǎn)化為膨脹階段核物質(zhì)的動能，動能的釋放是各向同性的，也就出現(xiàn)了橫向的集體運動。如圖1-2所示，這種集體運動可以分為三種類型，即徑向流(radial flow)、側(cè)向流(sideward flow)和橢圓流(elliptic flow)。

圖1-2 高能重離子碰撞中核物質(zhì)集體流示意圖

1979年，P. J. Siemens和J. O. Rasmussen兩位作者，在比較碰撞末態(tài)單舉π介子譜與質(zhì)子譜時，首次提到了核物質(zhì)的這種集體膨脹。接下來，H. Stocker等人在1981年也對這種集體運動現(xiàn)象進行了研究，但是，他們

并沒有給出明確的解釋。直至1984年，R. Backmann等人考慮到π介子譜與質(zhì)子譜之間的差異主要表現(xiàn)為源的溫度不同，從而提出了雙溫度假設(shè)。雙溫度假設(shè)給集體膨脹效應(yīng)提供了另外一種解釋，掩蓋了集體膨脹效應(yīng)在單舉譜分布中所起到的作用，人們在一段時間內(nèi)不再研究集體膨脹，對集體膨脹的研究也就告一段落。

到了1991年，H. W. Barz等人在對入射束能量為50-80 AMeV和200-220 AMeV的36Ar+Ag/Br和16O+Ag/Br反應(yīng)的研究中，又對集體膨脹效應(yīng)進行了研究。1992年在對心碰撞事件中發(fā)現(xiàn)，碎片的質(zhì)心系平均動能隨著碎片所帶電荷的增加而增加，這是用多溫度源所不能解釋的，從而肯定了碰撞碎片沿著徑向做集體膨脹運動，并正式引入了徑向流的概念。此后，徑向流被廣泛地進行了研究。在相對論核-核碰撞的末態(tài)，徑向流攜帶了有關(guān)爆炸源在膨脹階段的重要信息。1998年，俄羅斯的D. Yu. Peressounko提出，徑向流的強弱可以作為QGP相的檢測信號。因此，集體徑向流的研究對于了解高溫高密核物質(zhì)的性質(zhì)和探測QGP有著重要的意義。

目前，相對論核—核碰撞物理學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)重要的前沿研究領(lǐng)域之一。高能重離子反應(yīng)中集體流的產(chǎn)生機制和輕質(zhì)量碎片的形成，是研究集體流的熱點。徑向集體流的研究與這兩種現(xiàn)象都有密切的聯(lián)系，所以，如能對其做進一步的分析和深入研究就有可能得到碰撞過程中的更多信息，為探索高溫高密核物質(zhì)提供重要的研究線索。

三 對徑向流的認識

徑向集體流是高能重離子碰撞物理學(xué)研究中十分重要的實驗可觀測量，它能夠把碰撞過程中壓縮和膨脹階段的部分信息帶到碰撞的末態(tài)。徑向流的產(chǎn)生是由于源中壓力梯度的存在而使壓縮勢能向動能轉(zhuǎn)化。對徑向流的細致分析可以對高能重離子反應(yīng)的最激烈階段的特征有所了解，還可以提供有關(guān)源的重要物理信息—凍結(jié)溫度。

雖然EOS實驗和E895實驗是在兩個不同能區(qū)的加速器上做的重離子碰撞實驗，但由于這兩個實驗使用了同一臺探測器(EOS TPC)，所以在粒子鑒別、分辯率、接收度和探測效率等方面都有很大的可比性。因此通過對這兩個能區(qū)的徑向集體流進行系統(tǒng)和比較分析，獲得隨著入射束能量的增加，凍結(jié)溫度和膨脹速度的變化趨勢，即流激發(fā)函數(shù)，就有了一定的實際意義。

[1] 張景波.RHIC能區(qū)重離子碰撞中的空間——動量關(guān)聯(lián)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

[2] 馮啟春.RHIC能區(qū)橢圓流演化的動力學(xué)機制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[3] 王曉影.1.2A GeV Au+Au 碰撞中末態(tài)庫侖作用對徑向流分析的影響[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

[4] 唐圭新.高能重離子碰撞中粒子發(fā)射源的玻色-愛因斯坦關(guān)聯(lián)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

ClassNo.:O571.6DocumentMark:A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)

AnalysisofCollisionsandRadialFlowofEnergeticHeavy-ion

Dong Gang

Radial flow can provide the important observed data of energetic heavy-ion collision in physical experiment, it can bring the part of information produced in the process of contracting and expanding to the end of collision, so analyzing the radial flow can reproduce the information of collision process.

energetic, heavy-ion, collision, radial flow

董剛，講師，大興安嶺職業(yè)學(xué)院，黑龍江·大興安嶺。研究方向：物理課堂教學(xué)。郵政編碼：165000

1672-6758(2011)04-0059-2

O571.6

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