200A GeV S+Au重离子碰撞中光子的赝快度分布

孙建新

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

在超相对论能量研究重离子碰撞的主要目的之一是研究热密强子物质的属性和寻找从强子物质到夸克-胶子等离子体的转变[1-6]。几个强子和轻子可观测量信号预示了这种极端物质状态特性。强子碰撞中那些受已知过程控制之外的过量的或殆尽的光子的产生，期望伴随相变和随后强子化过程[7]。因此，在尽可能大的相空间详细地研究光子的产生是极为重要的，以更好地补充带电粒子测量工具的不足。

在超相对论重离子碰撞中光子产生传统上用光谱测定方法研究，在电磁量能器帮助下测量总能量和角度。然而在前半球，单位立体角内粒子多重数[8-9]非常高，因为簇射大量重叠，用量能器变得困难。通过使用高粒度预簇射探测器，我们仍然能以有限的方法研究前半球光子的产生，测量光子的多重数和赝快度分布[10-12]。

在超相对论重离子碰撞条件下，光子多重数能用于脱机全局事件描述，例如碰撞参量选择。在大赝快度区域量热测量成为不可能，甚至预簇射探测器[13]也只能粗糙的估计电磁能量。另外，光子的赝快度分布能被用于研究粒子产生动力学。根据事件起伏，在大立体角范围测量光子多重数Nγ和带电粒子多重数Nch，提供了一个非常有用的全局性可观测量。通常，重离子碰撞中非奇异过程受独立的核子-核子碰撞叠加的支配，期望，然而Nch∼Nγ，Nch主要由π±构成，Nγ主要由π0→2γ贡献。考虑到输入通道有少量质子过量，因此有NγNch＜1。就200A GeV能量S+Au碰撞而言，前半球Nch的典型值约为300。对如此大的多重数，NγNch分布宽度将相当小，会在10%以内,变量NγNch同样提供同位旋波动测量。因为分布范围窄，能够区分NγNch有显著不同值的事件涨落过程,这能够提供引起奇异事件的反应机制信息。

用于测量光子多重数的预簇射探测器要求光子能谱范围宽泛，一些辐射长度厚度在适当的转换器中的电磁簇射中的e+e-电子对平均数几乎呈线性。相反，如果强子辐射长度仅是相互作用长度的几个百分比，强子表现为最小致电离粒子。因此，一般来说光子簇射和强子信号大不相同，能量沉积阀值能被用于拒绝强子。转换器材料和它的厚度的选择是基于最大电磁簇射信号、光子转换效率、最小相互作用长度、簇射横向尺寸和因此产生的簇射重叠几率的折中。因而要求探测器高度微化，用于重离子相互作用高多重数环境。因为有大量探测器单位，因而用相对便宜和紧凑读出系统是必要的。

带电粒子多重数探测器几乎一致响应，不论粒子的能量和类型。光子预簇射探测器对强子和光子有着非常不同的响应。光子多重数探测器安装在用铅作为转换器材料的避光长方形盒子形状里，从支撑横梁中垂直悬挂。根据粒度，光子预簇射将延伸至几个感应单元，光子被限制在一个感应单元。因此探测器必须能够记录能量信号和打击位置。

虽然在超相对论能量重离子碰撞的很多实验中测量了带电粒子多重数，目前为止，除了宇宙射线乳胶实验外，很少有研究光子多重数的项目。WA93实验组首次使用预簇射光子多重数探测器对欧洲核子研究组织超级质子同步加速器中运行的每核子200A GeV S+Au碰撞中产生的低横动量光子进行了测量[14]。相对论重离子碰撞中产生的粒子的赝快度分布（dNdη）能够提供有关碰撞动力学和几何的重要信息。本文研究的WA93实验组测量的200A GeV S+Au碰撞产生的光子的赝快度范围为2.8≤η≤5.2。本文根据WA93实验中测量的光子赝快度分布实验结果给出了理论描述。

1 理论模型

根据热化柱模型[15-16]和本文要讨论的欧洲核子研究组织质子同步加速器中运行的每核子200A GeV S+Au碰撞事件[14]，假设在高能重离子碰撞中将形成一个热化柱。柱中的每一点都是一个独立的发射源，各向同性发射粒子。在快度空间，发射源的快度记为yx，柱的前端记为ymax，后端记为ymin，且yx∈[ymin,ymax]。在S+Au碰撞的末态，产生的光子的赝快度分布是通过生成的热化柱中的全部发射源产生的。每一个发射源产生的光子的赝快度分布为：

碰撞末态生成的赝快度分布为：

2 理论计算与实验数据的对比

根据热化柱模型，本文计算了中心度为7%碰撞能量为200A GeV S+Au碰撞产生的光子的赝快度分布，如图1所示。图中符号表示WA93实验组测量的实验数据[14]，曲线是根据热化柱模型计算的结果。计算中用到的参数ymax=4.000±0.100，ymin=1.5±0.100，归一化系数Nc=510.000± 13.000，其χ2dof为0.471。由图可以看出，根据模型计算结果与实验数据基本相符。

中心度为13.2%碰撞能量为200A GeV S+Au碰撞产生的光子的赝快度分布如图2所示。图中符号和曲线的表示意义与图1相同。计算中用到的参数ymax=4.000±0.100，ymin=1.500±0.100，归一化系数Nc=299.000± 6.000，其χ2dof为0.093。由图可以看出，根据模型计算结果与实验数据基本相符。

图1 中心度为7%碰撞能量为200AGeVS+Au碰撞产生的光子的赝快度分布

中心度为20%碰撞能量为200A GeV S+Au碰撞产生的光子的赝快度分布如图3所示。图中符号和曲线表示的意义与图1相同。计算中用到的参数ymax=4.100±0.100，ymin=1.500±0.100，归一化系数Nc=81.700±1.300，其χ2dof为0.123。由图可以看出，根据模型计算结果与实验数据基本相符。

图2 中心度为13.2%碰撞能量为200AGeVS+Au碰撞产生的光子的赝快度分布

根据上述7%、13.2%和20%三个中心度200A GeV S+Au碰撞的描述，本文对ymax、ymin和Nc三个参数作了较为粗浅的描述，用来反映三个参数随中心度值变化的趋势，如图4所示。图中符号表示描述实验数据的参数值，三条曲线分别是拟合参数值给出的ymax、ymin和Nc三个参数随中心度值变化的的函数曲线。图4（a）中ymax与中心度值（用x表示）的函数关系为：

相应的χ2dof为0.004。可以看出，函数关系和图都表明ymax随中心度值增大而轻微的增大。图4(b)中ymin与中心度的函数关系为：

图3 中心度为20%碰撞能量为200AGeVS+Au碰撞产生的光子的赝快度分布

图4 ymax、ymin和Nc三个参数随中心度值变化的关系

相应的χ2dof为0。可以看出，函数关系和图都表明ymin保持固定值，不随中心度值变化。图4(c)中Nc与中心度的函数关系为：

相应的χ2dof为8.077×10-10。可以看出，函数关系和图都表明Nc随中心度值增大而急剧下降。中心度值20%可以认为是变化的一个拐点，Nc下降到中心度值20%点处以后将变得较为平坦。由图4可以看出三条线可以较好的描述ymax、ymin和Nc三个参数的变化趋势。本文分析的实验数据仅限于7%、13.2%和20%三个中心度的数据，因此本文所给出的三个参数随中心度的变化关系具有一定的局限性，不能完善地给出描述，但根据现有数据仍可基本大致的反映参数的变化趋势。

3 结论

相对论重离子碰撞中光子的产生对夸克胶子等离子体的研究具有重要的意义，因为在这种反应中产生的热系统的电磁辐射能使反应的体积不受强子相互作用的干扰。这些直接光子可以反映早期致密相中给予的信息。为了解决强子衰变成光子的深刻意义，必须对光子谱作细致的研究。本文根据热化柱模型描述了中心度分别为7%、13.2%和20%三种情况200A GeV S+Au碰撞产生的光子的赝快度分布。根据模型计算得到的参数值ymax随中心度值增大而轻微的增大，ymin不随中心度值变化，而Nc随中心度值增大而急剧下降，在中心度值20%点处形成一个拐点。根据计算得到的参数值可以得到柱的长度为

柱的长度随中心度值增大而轻微的增大，分析认为，这是由于中心碰撞能量较为集中，呈现出整体效应，而相对边缘碰撞能量相对分散，整体效应相对弱一点，但变化不明显。

综上所述，热化柱模型能够较好的描述不同中心度条件下200A GeV S+Au碰撞产生的光子的赝快度分布，根据热化柱模型计算结果与实验数据大体相符。

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