相对论重离子碰撞产生的大横动量光子

傅永平，郗勤



相对论重离子碰撞产生的大横动量光子

傅永平，郗勤

（滇西科技师范学院 数理学院，云南 临沧 677000）

利用微扰量子色动力学和部分子模型，研究了相对论重离子碰撞中冷组分部分子相互作用产生的大横动量光子．在微扰量子色动力学中，大横动量的光子产生源主要有康普顿散射、夸克-反夸克湮灭以及部分子散射末态的光子碎裂产生．理论计算结果能够较好地解释大型强子对撞机铅-铅2.76 TeV碰撞产生的光子实验数据．

大横动量；光子产生；微扰量子色动力学；部分子模型

相对论重离子碰撞的动力学特性是目前高能物理的研究热点之一，但是由于重离子的核子数量较大，容易产生很大的强子背景噪声，所以寻求一种有效的探针信号就成为相对论重离子碰撞的主要研究方向．由于光子不参与强相互作用，所以通过研究核子之间碰撞产生的光子信息可以很好地研究碰撞区域的强子动力学性质[1-3]．在相对论重离子碰撞中，核子之间的散射不再是点粒子散射，核子内的部分子自由度将体现出来．此时，核子之间的碰撞属于深度非弹性散射，光子产生的反应通道将由核子内的部分子硬散射过程决定，其中部分子的动量分布将由碰撞的能量标度决定．这些硬散射过程包括康普顿（Compton）散射、夸克-反夸克湮灭以及部分子散射末态的光子碎裂产生．其中康普顿散射、夸克-反夸克湮灭过程产生的光子称为快光子，而由部分子散射末态碎裂产生的光子称为碎裂光子[4-5]．以上的部分子硬散射产生的光子将携带很高的横动量，这将使得量子色动力学（QCD）可以用微扰方法处理．本文将利用微扰量子色动力学和部分子模型来研究大型强子对撞机铅-铅2.76 TeV碰撞产生的大横动量光子．

1 大横动量快光子产生过程

相对论重离子碰撞是深度非弹性散射，具体发生在重核内部各个对头碰撞的核子之间．对于核子碰撞过程，定义反应的总曼德斯坦（Mandelstam）变量为，，．其中：，分别代表核子，的动量；，是散射末态部分子的横动量，是核子-核子碰撞的质心系能量；为质心系下部分子的散射角．对于核子-核子碰撞的子过程，定义子过程的曼德斯坦变量为，，，部分子动量与核子动量的比约肯（Bjorken）比率为．对于部分子的单举过程，满足动量守恒，于是可得子过程的曼德斯坦变量满足的守恒方程为．利用此守恒方程可得部分子的比约肯变量之间的关系为，．其中：参数；．

利用部分子模型可以将核子-核子碰撞的微分截面写为

2 末态喷注的碎裂光子产生过程

图1 快光子、碎裂光子以及低横动量热光子与实验数据的比较

3 计算结果和结论

部分子模型是处理相对论重离子碰撞产生大横动量光子的有效理论模型，快光子、碎裂光子以及低横动量热光子与实验数据的比较见图1（图1中数据点表示大型强子对撞机ALICE探测器获得的大横动量光子数据；虚线表示快光子产生的理论计算结果；点虚线表示碎裂产生的光子；点线表示低横动量的热光子；实线表示以上所有贡献之和）．实验数据分别来自大型强子对撞机（LHC）ALICE实验组的铅（Pb）-铅（Pb）=2.76 TeV碰撞产生的光子谱[8]．热光子的产生无法用量子色动力学微扰方法进行计算，只能依赖强关联方法和有限温度场论进行计算，这导致了热光子只在低横动量区域占主导作用．从图1可以看出，热光子只在<4.5 GeV区域有明显贡献，但在更高的大横动量区域占主导作用的只有快光子和碎裂光子，部分子模型能够较好地解释相对论重离子碰撞的大横动量光子实验结果，理论计算结果与实验数据吻合得较好．

基于量子色动力学和部分子模型，研究了相对论重离子碰撞产生的大横动量光子．单举过程中光子产生的主要反应通道有康普顿散射、夸克-反夸克湮灭以及部分子散射末态的光子碎裂产生．这表明微扰量子色动力学和部分子模型在解释相对论重离子碰撞的大横动量光子产生方面具有很好的普适性．

参考文献：

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[2] FU Yong-ping，LI Yun-de．Large Mass Dilepton Production from Jet-Dilepton Conversion in the Quark-Gluon Plasma[J]．Nuclear Physics A，2011，865：76-82

[3] FU Yong-ping，LI Yun-de．Jet-Photon Production at RHIC and LHC[J]．Chinese Physics Letters，2009，26：111201（1）-111201（4）

[4] OWENS J F．Large-Momentum-Transfer Production of Direct Photons，Jets，and Particles[J]．Reviews of Modern Physics，1987， 59：465-503

[5] STUMP D，HUSTON J，PUMPLIN J，et al．Inclusive Jet Production Parton Distribution and the Search for New Physics [J]．Journal of High Energy Physics，2003，10：725-745

[6] BERGER E L，BRAATEN E，FIELD R D．Large-Pt Production of Single and Double Photons in Proton-Proton and Pion-Proton Collisions [J]．Nuclear Physics B，1984，239：52-92

[7] COMBRIDGE B L，KRIPFGANZ J，RANFT J．Hadron Production at Large Transverse Momentum and QCD[J]．Physics Letters B，1977，70：234-238

[8] ADAM J，ADAMOVA D，AGGARWAL M M，et al．Direct Photon Production in Pb-Pb Collisions at 2.76 TeV[J]．Physics Letters B，2016，754：235-248

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

云南省教育厅自然科学基金项目（2012Y274）；滇西科技师范学院高层次人才引进科研启动项目；滇西科技师范学院校级课题（LCSZL2013004）

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