（粒子物理与原子核物理专业论文）cernalicephos触发选判机制的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 量子色动力学( q c d ) 理论预言在高温高密极端条件下，会产生一种新的 物质形态。通过高能重离子碰撞实验可产生高温高密的极端条件，以研究这 种新的物质形态一一夸克胶子等离子态，正是近十几以来国际上高能物理学家 和核物理学家共同努力奋斗的目标。 欧洲核子研究中心( c e r n ) 正在建设的大型强子对撞机( l h c ) 实验， 计划于2 0 0 7 年开始运行。l h c 运行时，将会在大型重离子对撞机( a l i c e ) 探测装置所在区碰撞质心系能量为居= 1 4t e v 的质子流和、i 丽= 5 5t e v 的铅 束流，亮度分别为5 1 0 3 0c m 一2 s 一1 和5 1 0 2 6c m 一2 s 。a l i c e 实验致力于研 究超相对论能量下重离子碰撞中形成的热密核物质，并探究夸克退禁闭和对 称性破缺恢复的现象。a l i c e 探测器结构复杂，具有功能强大的触发系统。 本文介绍了a l i c e 探测器的结构，并对a l i c e 触发系统及其工作流程进行了 详细的说明。 l h c a l i c e 探测器上的光子谱仪( p h o t o ns p e c t r o m e t e r ，简称p h o s ) 是 电磁量能器，作为a l i c e 实验中重要的探测器，用来探测大横动量范围的光 子，测量出直接光子、”o 和卵的谱。本文主要深入研究了p h o s 探测器的触发 选判机制，并对其构成、在a l i c e 实验中的物理目标，工作原理和物理特性 也进行了详细介绍。 在质子一质子( p p ) 和铅一铅( p b p b ) 两种碰撞模式下，p h o s 触发选 判系统产生不同级别的触发，向a l i c e 触发系统提供l o 和l l 级触发信号。结 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 合p h o s 前端电子学的结构和l h c 运行机制，本文对p h o s 触发选判机制的研 究包括三大部分：1 ) 对p h o s 的能量重建性能进行了研究，通过实验模拟检 验p h o s 探测器对大横动量范围的入射粒子的能量重建性能；2 ) 对p h o s 探 测器的事件触发效率进行了研究，通过实验模拟分析触发阈值的选取并计 算触发效率；3 ) 对p h o s 探测器的事件触发频率进行了研究，通过实验模拟 对p p 和p b p b 两种碰撞模式下的触发频率分别进行了估算和讨论。 关键词：夸克胶子等离子体( q g p ) ，量子色动力学( q c d ) ，光子谱 仪( p h o s ) ，触发选判，能量重建，触发效率，触发频率 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t q u a n t u mc h r o m o - d y n a m i c s ( q c d ) ，t h et h e o r yo fs t r o n gi n t e r a c t i o n ，p r e - d i c t st h a tn u c l e a rm a t t e ru n d e r g o e sap h a s et r a n s i t i o nt oad e c o n f i n e ds t a t e o fq u a r ka n dg l u o na te x t r e m ed e n s i t i e sa n dt e m p e r a t u r e s t h ec o n d i t i o no f e x t r e m eh i g he n e r g yd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r ec o u l db ec r e a t e di nh i g he n e r g y h e a v y i o nc o l l i s i o ne x p e r i m e n t t h e nt os t u d yt h en e wm a t t e rs t a t e q u a r k g l n o n p l a s m a ( q g p ) ，w h i c hi s t h eg o a lt h a th i g he n e r g ya n dn u c l e a rp h y s i c ss c i e n t i s t sa l lo v e rt h ew o r l dh a v eb e e ns e a r c h i n gf o rc o l l a b o r a t i v es i n c es e v e r a lp a s t d e c a d e s s t a r t i n gi n2 0 0 7t h el a r g eh a d r o nc o l l i d e r ( l h c ) a tc e r nw i l lc o l l i d e p r o t o nb e a m s a tv s = 1 4t e va n dl e a db e a m s a t 、；丽= 5 5t e v ，a n dl u m i n o s i t i e s o ft h et w oc o l l i d e rm o d ea r e5 1 0 3 0e m 一2 s 一1a n d5 1 0 2 6c m 2 s r e s p e c t i v e l y t h el h ce x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t l yu n d e rc o n s t r u c t i o n ，a n da l i c e ( al a r g e i o nc o l l i d e re x p e r i m e n t ) i sa ne x p e r i m e n ta tt h el h c t h ea l i c e e x p e r i m e n t d e v o t e st os t u d y i n gi nd e t a i lt h eb e h a v i o u ro fn u c l e a rm a t t e ra t ；h i g hd e n s i t i e s a n dt e m p e r a t u r e ，i nv i e wo fp r o b i n gq u a r kd e c o n f i n e m e n ta n dc h i r a l s y m m e t r y r e s t o r a t i o n a l i c ed e t e c t o r s f r a m e w o r ki sc o m p l e xa n dh a v ea t r i g g e rs y s t e m w i t hp o w e r f u lf u n c t i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd e t a i l e d l yt h ef r a m e w o r k ，t h e t r i g g e rs y s t e ma n dw o r kf l o wo fa l i c ed e t e c t o r s p h o t o ns p e c t r o m e t e r ( p h o s ) ，a sa ni m p o r t a n te l e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t e r 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s i na l i c ee x p e r i m e n t ，d e t e c t sp h o t o n sw i t hab r o a dd y n a m i c sr a n g ei nt r a n s - v e r s em o m e n t u m ，a n dm e a s u r e ss p e c t r ao fd i r e c tp h o t o n sa n dn e u t r a lm e s o n s f 7 r oa n d 卵m e s o nm a i n l y ) t h ep r i m ea i mo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h et r i g g e r d e c i s i o nc r i t e r i o no ft h ep h o sd e t e c t o r i nt h i sp a p e rw ea l s oi l l u s t r a t ep h r 7 s i c a l g o a lo ft h ep h o sd e t e c t o ri na l i c ee x p e r i m e n t ，a n dp r e s e n ti t sc o n s t r u c t i o n ， o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s i nb o t hp r o t o n p r o t o na n dl e a d l e a dc o l l i s i o n ，p h o st r i g g e rd e c i s i o ns y s t e m g e n e r a t e sl oa n d o rl 1t r i g g e rs i g n a l sf o ra l i c et r i g g e rs y s t e m c o m b i n e d w o r kf l o wo fp h o sf r o n t e n de l e c t r o n i c sa n dl h cr u n n i n gs c h e d u l e ，t h i sp a p e r s t u d i e sd e e p l yt r i g g e rd e c i s i o nc r i t e r i o no ft h ep h o s ，i n c l u d i n gt h r e ep a r t s ：1 ) b ys i m u l a t i o no fe n e r g yr e c o n s t r u c t i o n ，w et e s tt h ee n e r g yr e c o n s t r u c t i o np e r f o r m a n c eo fp h o s ；2 ) b ys i m u l a t i o no fe v e n tt r i g g e re f f i c i e n c y ，w ea n a l y z et h e s e l e c t i o no ft r i g g e rt h r e s h o l da n dc a l c u l a t et r i g g e re f f i c i e n c y ；3 ) b ys i m u l a t i o n o fe v e n tt r i g g e rr a t e ，w ee v a l u a t ea n dd i s c u s st h et r i g g e rr a t eo fp h o si nt h e d i f r e r e n tc o l l i s i o nm o d e k e y w o r d s ：q u a r kg l u o n p l a s m a ( q g p ) ，q u a n t u mc h r o m o d y n a m i c s ( q c d ) ， p h o t o ns p e c t r o m e t e r ( p h o s ) ，t r i g g e rd e c i s i o n ，e n e r g yr e c o n s t r u c t i o n ，t r i g g e re f - f i e i e n c y , t r i g g e rr a t e 1 v 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 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 他个人或集体己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：l 夏年日期：加眵年岁月砑日 i| 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 “ 作者签名：王毛争 嘁伽i 碑，月吁日 导师 日期 本人已经认真阅读“c a l i s 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“c a l l s 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。回童迨窒理童丘澄后! 旦坐生；垂垂生；旦三生 i ：t _ t 筮壶! ： ：。7 作者签名：l 乏率 日期：加修年r 月d 日 导师签名： 1 。、1 日期：妒r 年。s 坦四日 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 第一章引言 格点q c d 理论预言，当温度或能量密度超过某临界值时，核物质会经历从 强子相到夸克物质相的相变并形成q g p 态物质。研究在高能量密度和高温度 极端条件下的新物质形态是高能重离子碰撞的重要目的。本章介绍了高能重 离子碰撞物理实验背景、历史与现状，并说明本文的组织结构。 1 1 重离子碰撞物理实验背景 物理学在二十世纪取得了巨大的进展，人类对物质微观结构的认识实现了 三次重大跨越：发现原子是由原子核和电子组成，形成了原子物理学；发现 原子核是由质子和中子组成，形成了原子核物理学；发现核子由夸克组成， 形成了粒子物理学，粒子物理学又称高能物理学或夸克与轻子物理学 1 。 自五十年代起，粒子物理逐步成为物理学的一门独立的前沿学科，研究物 质微观结构的最小单元及其相互作用规律。基本粒子之间的相互作用可以分 为四大类：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用 2 。 六十年代g e l l m a n n 提出了强子的结构模型一一夸克模型，认为强子是 由2 至1 1 3 个带分数电荷的夸克组成。介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由 三个夸克组成。以夸克模型为基础，g l a s h o w 、w e i n b e r g 和s a l a m 提出了标准 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 模型( s t a n d a r dm o d e l ) ，它是一个统一描述三种基本相互作用一一电磁相 互作用、弱相互作用、强相互作用一一的理论体系，认为构成物质结构的最 小单元是三代夸克( u ，d ) 、( c ，s ) 和( t ，b ) 以及三代轻子( ，e ) 、 ( ，p ) 和( 蜥，7 _ ) ，此外还有四个传递相互作用力的媒介粒子，分别 为w 士、z o 、光子，y 和胶子g 。标准模型成功地将电磁相互作用和弱相互作用统 一成为电弱相互作用，准确地预言了传递弱带电流的玻色子w 士和传递弱中性 电流的玻色子z o 。 标准模型的另一半是量子色动力学( q u a n f u mc h r o m o - d y n a m i c s ，简 称q c d ) 3 1 。q c d 是描述强相互作用的基本理论，是描述夸克、反夸克和 胶子之间相互作用的一个量子规范场论。六种夸克称之为六种味道，每味夸 克又有三个相互作用性质相近的不同的类型，称之为三色。夸克( 或反夸 克) 带有色荷，两个带有色荷的夸克之间是通过交换强相互作用的中间玻色 子一胶子一一发生相互作用的，遵循q c d t 犟论。带色荷的夸克和胶子被牢牢 地禁闭在强子内，不能自由存在，形成色中性的系统，这就是夸克禁闭，一 般称之为色禁闭。但在高温高密的极端条件下，夸克从强子相退禁闭到夸克 胶子等离子体( q u 盯k g l u o np l a s m a ，简称q g p ) 相，即发生q c d 相交并形 成q g p 物质态，如图1 的q c d 相图所示。 如q c d 相图所示，强子相中夸克和胶子是禁闭的，手征对称性自发破缺， 它们被束缚在强子中，不是自由的。夸克胶子等离子体相中，手征对称性破 缺恢复，夸克和胶子退禁闭，能够自由存在。那么有什么办法能让夸克冲破 强子的禁闭呢? 如果不能得到单个的夸克与胶子，至少设法让它们能在一个 比单个强子更大的空间范围内运动。依据q c d 相图，我们可以看到，通过两 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图1 ：q c d 相图 种可能的途径来打破强子对夸克的束缚：一种是增大核子密度，将强子物质 压缩，使强子相互重叠而破裂。这样，夸克和胶子就可以在较大的空间范围 内自由运动，形成一种新的、由许多自由的夸克和胶子组成的状态。另一种 设法将系统加热，使介子互相重叠、碎裂，也会形成许多夸克和胶子在较大 范围内运动的状态。这两种途径使得核物质越过温度或能量密度临界值， 强予间的边界就会消除，内部的色禁闭随之解除，核物质从强子相退禁闭 b j q g p 相。 强相互作用理论q c d 的格点计算预言在温度约为1 7 0m e v 和能量密度e 。= 1 g e v f m 3 时，核物质会经相变到夸克退禁闭的q g p 态【4 o 依据宇宙大爆炸理 论，早期宇宙在大爆炸后1 0 - 5s 会发生从q g p 相n q c d 相的相变，然后通过 迅速的膨胀和冷却达到现在这个宇宙形态。探索q g p 的性质不仅可以让人们 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 认识到一种新的物质形态，而且也可能导致基本物理概念上的重大突破。在 相对论性重离子碰撞中，我们希望能够获得达到或超过能量密度。的能量密 度，在实验室中实现标准模型预测的q c d 相变。 1 2 重离子碰撞物理实验的历史与现状 高能( 或相对论性) 重离子碰撞主要指的是束流能量大于每核予1 0g e v 的 固定靶实验或者核子核子质心系能量大于几个g e v 的重核对撞实验 5 。自 二十世纪八十年代中期以来，美国布鲁克海汶国家实验室( b n l ) 的交变 梯度同步加速器( a g s ) 和欧洲核子研究中心( c e r n ) 的超级质子同步加 速器( s p s ) 分别进行了固定靶实验。b n l 的相对论重离子对撞机( r h i c ) 和c e r n 的大型强子对撞机( l h c ) 对撞实验分别于1 9 9 0 和1 9 9 3 年开始兴 建，b n l r h i c 已于2 0 0 0 年首次运行，c e r n l h c 贝 将于2 0 0 7 年投入运行。 相对论性重离子碰撞可以达到实现q c d 相变和q g p 形成的条件，但如何 用实验手段确认q g p 的存在呢? 在超相对论性重离子碰撞中，q g p 即使形 成了，也只在碰撞后存在极短的瞬间，随着系统的膨胀和冷却，它很快的 就演化成实验室观测的各种末态粒子。到目前为止，理论上预言的q g p 存 在的信号有；( 1 ) 奇异粒子产额的增加。末态粒子中奇异粒子的产额增 加，是q g p 存在的可能信号。我们知道，中子、质子和许多常见的介子是 由u ，d n 类夸克和相应的反夸克百，a 构成的。第三种较重的夸克是8 夸克( 奇 4 硕士学位论文 m a s 髓r s1 h e s i s 异夸克) ，含有奇异夸克的强子叫奇异粒子。在强子相，奇异粒子的产生阈 能是同带奇异数的强子的质量相联系的，至少要7 0 0m e v ；而在q g p 相，奇 异夸克对的产生阈能则决定于一对奇异夸克的质量( 2 m 。一3 0 0m e v ) 6 j 。 显然，在q g p 相中产生奇异夸克对要比在强予相产生奇异强子容易得多。通 常情况下，奇异夸克的质量比u ，d 夸克重得多，要生成一对正反s 夸克对所 需的能量比生成一对正反u 或d 夸克对要高得多。理论预言，当温度超过某个 临界值时，可能存在一种使手征对称性破缺恢复的相变，由于温度高，s 夸 克和u ，d 夸克质量差对奇异粒子产额的影响要比强子物质相时小得多f7 1 。 因此，手征对称性破缺的恢复也会引起奇异粒子产额的增加。( 2 ) q g p 的 电磁信号。在相对论重离子碰撞的最初阶段所发射的电磁信号，比如直接光 子和双轻子对都携带着系统早期行为的信息。q g p 形成初期温度比较高，就 由夸克反夸克直接发出光子和通过光子产生轻子，这些直接光子和轻子具有 较高的能量，与强子衰变产生的光子和轻子有明显的不同。同时，由于电磁 作用比较弱，它们所带的信息较少的受到末态相互作用的扭曲，并且人们对 电磁作用了解清楚，因此，期望通过对电磁信号的分析来获取q g p ： ：e 变的信 息。( 3 ) 重夸克偶素产额的变化。重夸克偶素是指由一对正反重夸克构成 的介子共振态。t p , 女l j j 砂是由c 韵成，t e h b b 构成。重夸克偶素质量大，它的 产生都与硬过程相关。理论家预言，在q g p 中存在大量自由的夸克与胶子， 正反重夸克对之间的引力作用将受到它们的屏蔽，重夸克偶素更容易与邻近 的u 和d 夸克形成带重夸克数的介子，而不再形成刀妒或t 。这一理论预言在高 能碰撞实验中得到了验证，因此，重夸克偶素产额的降低也成为探钡, j q g p 存 在的信号。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s b n l a g s 实验指的是能量为2 1 8 ag e v 的p ，1 6 s ，2 8 s i ，1 9 7 a u 射弹核在 固定核靶上诱发的核反应【8 1 。b n l a g s 的数据还出现与高密的冷q g p 相关 的色超导相的一些证据。b n l a g s 能区的能量虽然较低，但观察到了集体 流、h b t 关联和奇异粒子数增强等现象，这是核的非几何迭加的效应【9 】。该 能区的末态具有丰重子数特性，但还没有q g p 形成的直接证据。 c e r n s p s 在1 9 8 6 1 9 8 7 年间运行t 6 0 和2 0 0 ag e v 的”o 离子束流，在1 9 8 1 9 9 2 年间运行了2 0 0 ag e v 的3 2 s 离子束流，尤其是在1 9 9 4 2 0 0 0 年间运行 了4 0 ，8 0 和1 5 8 ag e v 的2 0 7 p b 离子束流，已达到产生高温高密的极端环境 的条件，为新物态存在的清晰图像提供了初步的证据 1 0 】。c e r n s p s 能区 的p b p b 实验的综合结果给出了退禁闭相变的一些迹象，但还不能给出确定性 的判据。但是，j 砂共振态产物的测量结果清楚地表明高能核核碰撞不同于核 核碰撞的简单叠加，同时，其它的一些测量结果也说明高能核核碰撞是很有 可能产生热密核物质存在的条件1 1 。 b n l r i c h 实验于2 0 0 0 年7 月开始运行，先后运行了能量为、，百丽为6 3 ，1 3 0 ， 2 0 0g e v 的a u a u 和2 0 0g e v 的p p 、d - a u 碰撞实验。其四个实验组( p h e n i x s t a r ，p h o b o s ，b r a h m s ) 给出了一系列重要的实验结果，如：在中心 快度区域处呈现较低的重子数密度，显示整个物质在碰撞后极短的时间 内达到( 局域) 平衡；由碰撞末态早期出现的高压和高能量密度环境估计 出e c _ 4 5g e v f m 3 或更大 9 】对于大横动量p t 的强子，仍然有椭性流的特 点。r h i c 四个实验组在2 0 0 3 年6 月份提交的实验数据得出了一个总结性的实 验断定：a u a u 碰撞中中心快度区的喷注淬火效应事实上是末态相互作用的 结果，也就是理论预言的退禁闭的热密核物质态1 1 1 。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 欧洲核子研究中心( c e r n ) 正在兴建大型强子对撞机( l a r g eh a d r o n c o l l i d e r ，简称l h c ) ，运行时将碰撞质心系能量为撕= 1 4t e v 的质子 流和、百丽= 5 5t e v 的铅束流，其亮度分别为5 1 0 3 0c m 一2 s 一1 和5 1 0 2 6 c m - 2 s ，其束流能量是b n l r h i c 实验的约3 0 多倍 1 2 。作为c e r n l h c - - 个重要部分的大型离子碰撞实验( al a r g ei o nc o l l i d e re x p e r i m e n t ，简 称a l i c e ) ，致力于研究超相对论性能量级下( 55t e v 核子的铅铅碰撞) 重离子碰撞中形成的热密核物质，并探究夸克退禁闭和手征对称性恢复 现象。在p b p b 碰撞中形成的系统的能量密度、大小、寿命和弛豫时间将 是r h i ca u - a u 碰撞的5 1 0 倍。由于能量密度大大超过退禁闭相变的闽值， 预期观测到从强子物质到夸克物质相变的各种性质。 作为a l i c e 的子探测器一一p h o s ，用来探测大横动量范围( o 5g e v c j 1 0 0g e v c ) 的光子，并测量出直接光子、7 r o 和卵的谱。通过分析p h o s 探测 的光子信号，p h o s 主要为a l i c e 实验提供以下几个方面的物理研究：1 ) 通过单直接光子和光子对携带的信息，可提供碰撞初始相的热力学与动力 学参数，尤其是探测初始相温度的最好方法。2 ) 通过大横动量的7 r o 研究 作为退禁闭信号的喷注淬火现象。3 ) 提供手征对称性恢复的信号。4 ) 光 子h b t ( h a n b u r y b r o w na n dt w i s s ) 关联 1 3 o 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 本文的组织 p h o s 探测器测量光子信号，用来获取高能重离子碰撞初始相时的温度 1 4 1 。p h o s 探测器为a l i c e 触发系统提供l o 和l 1 触发信号，l o 为a l i c e 触 发系统提供质子一质子碰撞中无偏差事件的触发，而l 1 为a l i c e 触发系统提 供铅一铅碰撞中的大横动量的光子事件的触发f 1 5 1 。 l h c 将于2 0 0 7 年运行，p h o s 探测器开始探测并鉴别光子，其触发选判系 统以怎么样的机制工作，运行时的参数如何选取等都是在l h c a l i c e 运行前 急需解决的问题。为此，本文就对p h o s 的触发选判机制进行了具体细致的研 究，主要包括三个方面；1 ) p h o s 探测器的能量重建性能；2 ) p h o s 探测器 的事件触发效率；3 ) p h o s 探测器的事件触发频率。 为了使读者对a l i c e p h o s 的触发选判机制有清晰的理解和认识，本文 先从a l i c e 实验着手，第二章对a l i c e 实验的物理目标做了介绍，并详细介 绍a l i c e 探测器及其触发选判系统。第三章将介绍p h o s 探测器的物理目标、 构成、工作原理和物理特性。第四章，对p h o s 的触发选判机制做了深入的研 究：对p h o s 的能量重建性能进行了研究，通过实验模拟检验p h o s 探测器对 大横动量范围的入射粒子的能量重建性能：对p h o s 探测器的事件触发效率进 行了研究，通过实验模拟分析触发阈值的选取并计算触发效率；对p h o s 探测 器的事件触发频率进行了研究，通过实验模拟对p p $ i l p b _ - p b 两种碰撞模式 下的触发频率分别进行了计算和讨论。第五章是自己的工作小结和对本工作 前景的展望。 8 硕士学位论文 m a s t 腿st h e s i s 第二章a l i c e 探测器及其触发系统 a l i c e 实验是c e r n l h c 四大实验之一，用以研究高能重离子碰撞下形 成的热密核物质，寻找q g p 并研究其性质。本章对a l i c e 探测器的物理目 标、构成进行了介绍，尤其对其触发选判系统进行了详细的描述。 2 1a l i c e 实验的物理目标 大型强子对撞机( l h c ) 研究的一个主要问题是基本量子场的相变、自然 界的基本对称和质量起源之间的联系。l h c 重离子碰撞中的核一核质心系能 量、，厢丽= 5 ，5t e v 比r h i c 实验中的能量高出将近3 0 倍，这将为物理研究开辟 一个新的领域。如此大的能量升迁通常会导致新的发现，l h c 重离子碰撞得 到的将不仅仅是在高能量密度下数量上的不同，而且是质上的新状态，主要 包括：( 1 ) 高密度部分子分布决定粒子产物；( 2 ) 硬过程对核核碰撞的横 截面的贡献变大；( 3 ) 弱相互作用硬探针的探测成为可能；( 4 ) 部分子动 力学主导火球膨胀f 4 。 作为l h c 四大实验之一的a l i c e 实验致力于研究在5 5t e v 核子对的 铅一铅碰撞中形成的热密核物质演化规律。由于在该碰撞中形成的物质是高温 高密的，产生q g p 的新物质态是极有可能的。a l i c e 研究手征对称性在利用 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 重离子碰撞产生的大范围长时间的高能量密度环境下的复合粒子的质量产生 中的作用，并且深入研究在能量密度民竺1 1 0 0 0g e v f m 3 时的强相互作用物 质的平衡和非平衡物理学【4 。另外，a l c e 实验还将深入研究在部分子密度 接近相空间饱和时的物理现象和在核稠密环境下部分子强子化过程的集体动 态演化。同时，我们也希望能够进一步认识q c d 相图的结构$ 口q g p 相位的属 性。 因此，a l i c e 探测器探测在c e r n l h c 中重核一重核碰撞实验中产生的 强子、轻子和光子，以研究强相互作用物质物理芹h q g p 态物理。在粒子 密度极高的环境下，a l i c e 实验必须能够跟踪和鉴别横动量范围为一1 0 0 m e v c 到一1 0 0g e v c 的粒子，并且能够重建像超子、d 介子和b 介子这类短寿 命的粒子。 2 2a l i c e 探测器的构成 a l i c e 是个通用性的实验，除了研究重核一重核碰撞外，也研究轻质量 的离子( 如质子一质子和质子一核) 碰撞。a l i c e 实验探测器的构成主要包 括两大部分：( 1 ) 中央部分，主要由一些主要致力于研究在赝快度区范围 为一l 1 里的强子信号和电子对的探测器组成；( 2 ) 前向p 子谱仪，测 量“子信号，该探测器致力于研究高密度物质里的夸克行为。a l i c e 的结构图 如图2 所示： 1 0 硕士学位论文 m a s t e r sn 瑾s i s 图2 ：a l i c e 探测器由以下部分组成：内径迹系统( i t s ) ，时间投影室( t p c ) ，穿越辐射 探测器( t r d ) ，飞行时间探测器( t o f ) ，高动量粒子鉴别探测器( h m p i d ) ，光子谱 仪( p h o s ) ，前向p 子谱仪，零角度量能器( z d c ) 光子多重数探测器( p m d ) 。前向 多重数探测器( f m d ) ，v o 探测器，t 0 探测器，宇宙线触发探测器，l 3 磁场，触发室以及 二极磁铁。另外，还包括触发系统，数据获取系统( d a q ) 和高级别触发( h l t ) 部分。 在中心快度区( - 0 9 叩 0 9 ) ，强子、电子和光子被通过放置于小磁场 强度( 0 5t ) 的磁场中的复杂的探测器系统探测和鉴别。径迹的重建依赖 于一系列高分辨率的探测器：内径迹系统( i t s ) ，由六层圆柱形半导体硅探测 器组成，它覆盖了m 0 9 的赝快度区域，能够有效重建粒子径迹和提供高碰 撞参数分辨率，并改善t p c 的动量和角度分辨率阁；体积很大的时间投影室 ( t p c ) ，利用t p c 良好的双径迹分辨性能进行带电粒子的动量测量、粒子 硕士学位论文 m a s t e r sh 疆s i s 鉴别和顶点的确定，在横动量( 高达1 0 0g e v c ) 测量方面也有很好的动量分 辨率；高分辨率的穿越辐射探测器( t r d ) ，鉴别动量高于1g e v c 的电子。 中央区域的粒子鉴别是通过测量径迹探测器中的能量损失，t r d 中的穿越辐 射和高分辨率的飞行时间探测器( t o f ) 来实现的。在中心快度区有两个单 臂探测器，一个是通过测量切伦科夫辐射来鉴别带电粒子的高动量粒子鉴别 探测器( h m p i d ) ，另一个是用来探测光子的电磁量能器，称之为光子谱仪 ( p h o s ) 。“子的探测和鉴别则是通过一个前向p 子谱仪来实现的，其涵盖的 赝快度区域为- 4 0 即 一2 4 。 其它的一些探测器都位于较大的赝快度区，和上述的探测器一起完成粒 子的鉴别并向a l i c e 提供触发信号，如向前多重数探测器( f m d ) ，v 0 探测 器和t o 探测器，它们覆盖的赝快度区为一3 4 玎 5 1 。光子多重数探测器 ( p m d ) 覆盖的赝快度区相对要窄一些，为一2 3 s e t p h i ( 2 7 0 1 3 7 ) ：垂直于束流方向上的方位角 g e n e r i s e t t h e t a ( 9 0 1 3 7 ) ；平行于柬流方向上的极角 g e n e 卜 s e t o r 吲n ( o ，0 ，o ) ；顶角位爱 g e n e r - s e t p a r t ( 1 1 ) ；g e a n t 库中对应的粒子代号，1 1 为电子 g e n e r 一 t ( ) ；初始化 3 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 在实验中，电子轰击至t j p h o s 时，不只会照亮编号为8 9 8 8 的那个晶体， 同时还会照亮该晶体附近的一些晶体。随着电子入射能量的增大，附近 被照亮的晶体会越多，但绝大部分能量沉积在以编号为8 9 8 8 的晶体为中心 的9 ( 3 x 3 ) 个晶体单元格中。因此，本模拟中，我们同时采集了两组数据： 一组为单元格( 以编号为8 9 8 8 的晶体为中心的3 x 3 = 9 个晶体) 中所有被照亮 的晶体的重建能量之和；另一组数据为第3 个p h o s 模块中所有被照亮的晶体 的重建能量之和。 事件产生后，就要对入射粒子的能量进行重建，并用高斯分布拟合。本 模拟取该高斯分布的平均值作为入射粒子的能量e 的重建值。当入射的电 子的横动量为6o e v c 时，其重建的能量e 分布如图1 2 所示。该图横坐标为能 量e ，纵坐标为计数单位，事件数为1 x 1 0 3 ，实线为高斯分布拟合线。 图1 2 ：入射电子横动量为6g e v c 时的重建e 分布。左图为3 3 的晶体单元格中的重建能 量e 分布，右图为所有被照亮的晶体中的重建能量e 分布。 经高斯分布拟合，拟合结果：左图中高斯分布的平均值“= 5 5 1 0g e v ，方 差0 = 0 1 0 4g e v ，a e e = i 8 9 ；右图中高斯分布的平均值“= 5 6 6 0g e v ，方 3 5 差口= 0 0 9 9g e v ，a e e = i 7 5 。依据图8 中p h o s 的能量分辨率的分布，入射 光子的入射能量约为6g e v 时的能量分辨率约为1 9 。本模拟的能量分辨率与 图8 中的数据比较，略有偏低，主要原因是高能电子与光子在电磁量能器中的 电磁簇射是有区别的，而该模拟中入射的粒子是电子。 4 2 2 结果分析 本节y 3 p h o s 分别在低横动量范围( o 4 1 0g e v c ) 和高横动量范围 ( 1 0 1 0 0g e v c ) 的能量重建性能做了计算机模拟。经过重建和高斯拟合， 得出：在低横动量和高横动量范围里p h o s x 寸电子的重建能量与电子的入射能 量都表现出非常好的线性关系，且符合p h o s 的能量分辨率分布。 p t g e v l a 图1 3 ：低横动量范围时的重建e 分布。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图1 3 是p h o s 对低横动量范围里的入射电子的能量重建分布及其拟合。图 中横坐标为入射的p t 值，纵坐标为重建的能量值e 。方格点表示的是p h o s 模 块中所有被照亮的晶体的重建能量之和，倒三角形表示的是单元格中被照亮 的晶体的重建能量之和。其中的实线和虚线分别为这两种情况下的线性拟 合，重建能量e 与入射电子的横动量册满足线性关系： e = k p t ( 4 3 ) 前面一种情况的拟合线斜率k = 0 9 4 7 2 7 = i = 00 0 0 5 5 ，后面一种情况的拟合线斜 率k = 0 9 1 6 1 5 4 - 00 0 0 9 5 。 p t c - o v c i 图1 4 ：高横动量范围时的重建e 分布。 图1 4 是p h o s 对高横动量范围里的入射电子的能量重建分布及其拟合，图 中方格点和倒三角形点以及拟合线代表的意义和图1 3 一致。两种情况下重建 能量e 与入射电子的横动量阳满足也线性关系，同方程4 3 。此时拟合线的斜 率k 分别为0 9 2 8 8 2 4 - 0 0 0 1 0 6 和0 8 8 9 5 2 4 - 0 0 0 1 1 1 。 3 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 通过图1 3 、图1 4 数据分析，p h o s 对入射粒子能量的重建值与入射电子的 横动量成线性正比关系。在低横动量区，线性度达9 4 7 2 7 ：在大横动量区， 线性度达9 2 8 8 2 。因此，对于不同横动量区的粒子重建，通过不同的换算系 数，p h o s 实验就可以准确得出被鉴别粒子的入射能量。 p 【g e v c 图1 5 ：晶体单元格( 3 x 3 = 9 ) 中所有被照亮的晶体的重建能量之和与整个p h o s 模块中所有 被照亮的晶体的重建能量之和的比值r 的分布。 图1 5 表示的是单元格中所有被照亮的晶体的重建能量之和与整个p h o s 模 块中所有被照亮的晶体的重建能量之和的比值r ，分布满足二次指数衰减分 布，拟合方程形式及其拟台参数见图1 5 。本模拟中选取了从0 4g e v c 至l j l 0 0 g e v c 之间的共3 8 个采样点，图中横坐标为入射电子的横动量阳，而纵坐标为 对应的比值r 。倒三角形点表示各册值对应的比值，实线为二次指数衰减分布 拟合线，常数项为0 9 5 9 1 i 0 0 0 0 5 。 通过对图1 5 数据的分析，有至少9 5 9 1 的入射粒子的能量损失都沉积在以 编号为8 8 9 8 为中心的单元格( 3 x 3 = 9 个晶体) 中。因此，在p h o s 实验中采用 3 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 移动窗( s l i d i n gw i n d o w s ) 算法是可行的，可保证大于9 5 9 1 的能量沉积在 移动窗范围内，保证了p h o s 的触发信号的可靠性。 4 3p h o s 探测器的事件触发效率 通过上一节的分析，横动量在0 ，4 1 0 0g e v c 范围内的入射至j p h o s 的电 子，可保证其大于9 5 9 1 的能量沉积在移动窗区域覆盖的晶体中。采用移动 窗算法既保证事件触发效率，同时缩短7 p h o s 产生触发信号的时间。f e e 的 采样频率与l h c 的时钟周期同步，即每2 5n s f l e 就采用移动窗对p h o s 的每 个t r u 区域进行并行扫描，当移动窗范围中被照亮的晶体的沉积的能量之和 超过预设的重建阈值时，p h o s 触发选判机制就做出一个事件触发。 如图l o 所示，每个p h o s 模块均分成8 个t r u 单元，p h o s 在进行事件触 发选判时，采用移动窗算法同时在8 个t r u 单元中扫描，这样可以大大缩 短p h o s 产生触发信号的时间。由于各t r u 单元是相互独立的触发事件， 入射到t r u 边界处的粒子事件就容易被漏触发，所以t r u 间的边界会降 低p h o s 的事件触发效率。为了研究t r u 边界对p h o s 触发效率的影响，本模 拟特对以下两种情况的触发效率进行了计算