相對論重離子碰撞產生的大橫動量光子

傅永平，郗勤

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相對論重離子碰撞產生的大橫動量光子

傅永平，郗勤

（滇西科技師范學院 數理學院，云南 臨滄 677000）

利用微擾量子色動力學和部分子模型，研究了相對論重離子碰撞中冷組分部分子相互作用產生的大橫動量光子．在微擾量子色動力學中，大橫動量的光子產生源主要有康普頓散射、夸克-反夸克湮滅以及部分子散射末態的光子碎裂產生．理論計算結果能夠較好地解釋大型強子對撞機鉛-鉛2.76 TeV碰撞產生的光子實驗數據．

大橫動量；光子產生；微擾量子色動力學；部分子模型

相對論重離子碰撞的動力學特性是目前高能物理的研究熱點之一，但是由于重離子的核子數量較大，容易產生很大的強子背景噪聲，所以尋求一種有效的探針信號就成為相對論重離子碰撞的主要研究方向．由于光子不參與強相互作用，所以通過研究核子之間碰撞產生的光子信息可以很好地研究碰撞區域的強子動力學性質[1-3]．在相對論重離子碰撞中，核子之間的散射不再是點粒子散射，核子內的部分子自由度將體現出來．此時，核子之間的碰撞屬于深度非彈性散射，光子產生的反應通道將由核子內的部分子硬散射過程決定，其中部分子的動量分布將由碰撞的能量標度決定．這些硬散射過程包括康普頓（Compton）散射、夸克-反夸克湮滅以及部分子散射末態的光子碎裂產生．其中康普頓散射、夸克-反夸克湮滅過程產生的光子稱為快光子，而由部分子散射末態碎裂產生的光子稱為碎裂光子[4-5]．以上的部分子硬散射產生的光子將攜帶很高的橫動量，這將使得量子色動力學（QCD）可以用微擾方法處理．本文將利用微擾量子色動力學和部分子模型來研究大型強子對撞機鉛-鉛2.76 TeV碰撞產生的大橫動量光子．

1 大橫動量快光子產生過程

相對論重離子碰撞是深度非彈性散射，具體發生在重核內部各個對頭碰撞的核子之間．對于核子碰撞過程，定義反應的總曼德斯坦（Mandelstam）變量為，，．其中：，分別代表核子，的動量；，是散射末態部分子的橫動量，是核子-核子碰撞的質心系能量；為質心系下部分子的散射角．對于核子-核子碰撞的子過程，定義子過程的曼德斯坦變量為，，，部分子動量與核子動量的比約肯（Bjorken）比率為．對于部分子的單舉過程，滿足動量守恒，于是可得子過程的曼德斯坦變量滿足的守恒方程為．利用此守恒方程可得部分子的比約肯變量之間的關系為，．其中：參數；．

利用部分子模型可以將核子-核子碰撞的微分截面寫為

2 末態噴注的碎裂光子產生過程

圖1 快光子、碎裂光子以及低橫動量熱光子與實驗數據的比較

3 計算結果和結論

部分子模型是處理相對論重離子碰撞產生大橫動量光子的有效理論模型，快光子、碎裂光子以及低橫動量熱光子與實驗數據的比較見圖1（圖1中數據點表示大型強子對撞機ALICE探測器獲得的大橫動量光子數據；虛線表示快光子產生的理論計算結果；點虛線表示碎裂產生的光子；點線表示低橫動量的熱光子；實線表示以上所有貢獻之和）．實驗數據分別來自大型強子對撞機（LHC）ALICE實驗組的鉛（Pb）-鉛（Pb）=2.76 TeV碰撞產生的光子譜[8]．熱光子的產生無法用量子色動力學微擾方法進行計算，只能依賴強關聯方法和有限溫度場論進行計算，這導致了熱光子只在低橫動量區域占主導作用．從圖1可以看出，熱光子只在<4.5 GeV區域有明顯貢獻，但在更高的大橫動量區域占主導作用的只有快光子和碎裂光子，部分子模型能夠較好地解釋相對論重離子碰撞的大橫動量光子實驗結果，理論計算結果與實驗數據吻合得較好．

基于量子色動力學和部分子模型，研究了相對論重離子碰撞產生的大橫動量光子．單舉過程中光子產生的主要反應通道有康普頓散射、夸克-反夸克湮滅以及部分子散射末態的光子碎裂產生．這表明微擾量子色動力學和部分子模型在解釋相對論重離子碰撞的大橫動量光子產生方面具有很好的普適性．

參考文獻：

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Large transverse momentum photon production from relativistic heavy-ion collisions

FU Yong-ping，XI Qin

（School of Physics and Mathematics，Dianxi Science and Technology Normal University，Lincang 677000，China）

Based on the perturbative quantum chromodynamics and parton model，the large transverse momentum photon production in the relativistic heavy-ion collisions is researched．In the perturbative quantum chromodynamics the large transverse momentum photons are produced from Compton scattering，quark anti-quark annihilation，and fragmentation of final state partons．The numerical results agree with the experimental photon data for Pb-Pb 2.76 TeV collisions at LHC.

large transverse momentum；photon production；perturbative quantum chromodynamics；parton model

1007-9831（2016）10-0040-03

O572.34

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.10.011

2016-08-11

云南省教育廳自然科學基金項目（2012Y274）；滇西科技師范學院高層次人才引進科研啟動項目；滇西科技師范學院校級課題（LCSZL2013004）

傅永平（1983-），男，云南云縣人，副教授，博士，從事粒子物理研究．E-mail：ynufyp@sina.cn