浅谈高能重离子碰撞及径向流

董 刚

浅谈高能重离子碰撞及径向流

董 刚

径向集体流是高能重离子碰撞物理学研究中十分重要的实验可观测量，它能够把碰撞过程中压缩和膨胀阶段的部分信息带到碰撞的末态，通过对径向流的分析可还原碰撞过程中的信息。

高能；重离子；碰撞；径向流

一 高能重离子碰撞物理简介

原子核的研究起源于20世纪初。1911年，卢瑟福著名的α粒子散射试验证实了原子核的存在，从此原子核的研究开始被人们所认知。随着量子理论和实验手段的发展，人们对原子核的认识也不断深入，人们了解了原子核的大小和密度，了解了原子核内物质的激发态、自旋等概念，核能的应用也应运而生，这些都离不开对原子核的深入理解和核物理学的迅速发展。

高能重离子碰撞物理学，也称相对论核—核碰撞物理学，是20世纪70年代以来形成的一个研究领域，这个研究领域已经发展成为一门介于粒子物理和原子核物理之间的交叉学科。这一学科的研究目标是在相对论能量下产生并研究重离子碰撞中可能形成的极端高温度、高密度核物质的性质，探索新的核物质相。

图1-1 理论上推测的核物质温度—密度相图[1,2]

图1-1是理论上推测的核物质温度—密度相图[1,2]。核物理学传统的研究领域仅仅是图中左下角一个很小的区域，这一区域类似于液态的核物质，一般可以用核的液滴模型来描述。这一区域分布在ρ～ρ0,T～0MeV附近，这里ρ0=0.15fm-3，是通常条件下核物质的密度。在这个相图上还有一个更大的范围是未知的。根据理论计算推测，随着温度的升高，核物质将发生由液态到气态的相变。这种气体包含核子、π介子以及其它主要强子，一般称之为强子气体。在温度Tlt;20MeV，ρlt;ρ0时，核物质的液气相变就能够发生。在更高的密度(ρ～3-5ρ0)和相对低的温度下，核物质将呈晶体结构，出现凝聚相。在极端高密度(ρ～5-10ρ0)和高温度(T～150-200MeV)条件下，可能出现强子物质到夸克—胶子等离子体的消禁相变[3,4]。通过实验室产生并研究处于这种极端条件下核物质的性质，可以检验这些理论预言。

在人工产生极端条件下核物质之前，人们只能依赖那些非常有限和稀有的天然事件，因为只有在宇宙射线中能观察到大于20 AMeV的重离子束[5,6]。测量这些天然重离子反应涉及到的技术复杂性强烈地限制了事件记录的数目，这极大地制约了高能重离子物理学的发展。直到20世纪70年代中期，伴随着重离子加速器的产生，人们拥有了在实验室开展重离子碰撞实验的重要手段。那时，美国LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)实验室的Bevalac加速器已经能够把重离子加速到每核子具有上百个MeV甚至超过一个GeV的入射能量。人们最初把这一能量范围称为相对论能区，但随着加速器能量的逐步提高，相对论能区的概念也已经日益翻新。目前，正在运行的位于美国BNL(Brookhaven National Laboratory)实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)已经把这一能量范围的上限提高到了200GeV的水平。随着这些高能重离子加速器的出现，使人们在实验室条件下探索高温度、高密度、高压力等极端条件下核物质的性质成为了可能，为系统地研究高能核物理提供了坚实的实验基础。

通过对这种高温度、高压力条件下核物质的性质的探究，不仅对了解核物理学中夸克-胶子等离子体QCD相变等问题十分重要，还对天体物理学中超新星爆发和中子星结构等问题的解决也起到关键作用[7-10]，从而引起了物理学界的广泛兴趣。对这一领域的深入研究，使核物理学、粒子物理学和天体物理学等学科交织在一起，形成了相对论重离子碰撞物理学。

一般来说，相对论核-核碰撞过程可以分为四个阶段。第一阶段为初始阶段，此时入射核被加速到一定的入射能量，但入射核与靶核尚未发生实质性的接触，这时入射核与靶核均处于基态，属于入射核加速阶段，它们的性质可以由核物理传统理论来描述；第二阶段为压缩阶段，入射核和靶核开始有实质性的接触，发生相互作用，在其重叠的区域形成了高温度、高密度核物质，这是我们最为关注的阶段；第三阶段是膨胀阶段，被压缩的核物质向外扩展，核物质的密度由于膨胀而逐渐变小，这一过程中，有可能发生液气相变及多重碎裂；碰转过程的最后阶段是实验观察阶段，这时碰撞物质由最初的两个核转化成大量的末态粒子和碎片，探测器记录的就是这些末态产物的信息。

在整个的核-核碰撞过程中，我们要研究的是压缩和膨胀阶段所建立起来的极端高温、高密度的核物质的产生机制和性质，但这个阶段时间很短，在实验上无法直接测量和分析这一阶段的核物质，只能由实验中的末态可观测量来间接地加以推测。然而，有关碰撞最密集阶段的大部分信息基本上都在末态时淹没了，如何找到对碰撞早期和中间演化过程敏感的末态可观测量就成为该研究领域中首要的问题。对此，人们进行了大量的理论和实验探索，随着实验技术的进步和理论的发展，强度干涉学、集体流分析和各种模型理论等研究工具，从不同的角度，用不同的方法，分别探索了高能重离子反应的机制和激发核物质的性质。

90年代初在美国LBNL实验室的Bevalac加速器产生的0.25-1.2 AGeV的Au+Au碰撞，和90年代中期在BNL实验室AGS加速器产生的2.0-8.0 AGeV的Au+Au碰撞进行径向流研究，以期获得径向流激发函数，即径向流随入射束能量的变化关系。

二 集体膨胀和径向流

核物质集体流是近30年来实验上与理论上都非常感兴趣的研究课题之一。早在上世纪末，人们就已经在高能重离子对心碰撞中发现了径向集体膨胀。对于一个处于完全热平衡态的粒子系统，系统内粒子的运动应是完全无规则的随机的热运动，没有运动的倾向性或有序性。

而对于不是处于完全热平衡的粒子系统就会出现某种整体的倾向性，也就是在粒子的无规则热运动之上还要叠加一个整体有序运动，人们通常把这种系统内粒子整体的定向运动称之为“流”(flow)。

通过核流体动力的计算，可以得出当两个重核以相对论能量发生激烈的对头碰撞时，相互作用区域的核物质被压缩和加热，形成高温度、高密度状态，形成核物质的冲击波，碰撞后这种压缩阶段形成的这种压缩势能将转化为膨胀阶段核物质的动能，动能的释放是各向同性的，也就出现了横向的集体运动。如图1-2所示，这种集体运动可以分为三种类型，即径向流(radial flow)、侧向流(sideward flow)和椭圆流(elliptic flow)。

图1-2 高能重离子碰撞中核物质集体流示意图

1979年，P. J. Siemens和J. O. Rasmussen两位作者，在比较碰撞末态单举π介子谱与质子谱时，首次提到了核物质的这种集体膨胀。接下来，H. Stocker等人在1981年也对这种集体运动现象进行了研究，但是，他们

并没有给出明确的解释。直至1984年，R. Backmann等人考虑到π介子谱与质子谱之间的差异主要表现为源的温度不同，从而提出了双温度假设。双温度假设给集体膨胀效应提供了另外一种解释，掩盖了集体膨胀效应在单举谱分布中所起到的作用，人们在一段时间内不再研究集体膨胀，对集体膨胀的研究也就告一段落。

到了1991年，H. W. Barz等人在对入射束能量为50-80 AMeV和200-220 AMeV的36Ar+Ag/Br和16O+Ag/Br反应的研究中，又对集体膨胀效应进行了研究。1992年在对心碰撞事件中发现，碎片的质心系平均动能随着碎片所带电荷的增加而增加，这是用多温度源所不能解释的，从而肯定了碰撞碎片沿着径向做集体膨胀运动，并正式引入了径向流的概念。此后，径向流被广泛地进行了研究。在相对论核-核碰撞的末态，径向流携带了有关爆炸源在膨胀阶段的重要信息。1998年，俄罗斯的D. Yu. Peressounko提出，径向流的强弱可以作为QGP相的检测信号。因此，集体径向流的研究对于了解高温高密核物质的性质和探测QGP有着重要的意义。

目前，相对论核—核碰撞物理学已经成为物理学重要的前沿研究领域之一。高能重离子反应中集体流的产生机制和轻质量碎片的形成，是研究集体流的热点。径向集体流的研究与这两种现象都有密切的联系，所以，如能对其做进一步的分析和深入研究就有可能得到碰撞过程中的更多信息，为探索高温高密核物质提供重要的研究线索。

三 对径向流的认识

径向集体流是高能重离子碰撞物理学研究中十分重要的实验可观测量，它能够把碰撞过程中压缩和膨胀阶段的部分信息带到碰撞的末态。径向流的产生是由于源中压力梯度的存在而使压缩势能向动能转化。对径向流的细致分析可以对高能重离子反应的最激烈阶段的特征有所了解，还可以提供有关源的重要物理信息—冻结温度。

虽然EOS实验和E895实验是在两个不同能区的加速器上做的重离子碰撞实验，但由于这两个实验使用了同一台探测器(EOS TPC)，所以在粒子鉴别、分辩率、接收度和探测效率等方面都有很大的可比性。因此通过对这两个能区的径向集体流进行系统和比较分析，获得随着入射束能量的增加，冻结温度和膨胀速度的变化趋势，即流激发函数，就有了一定的实际意义。

[1] 张景波.RHIC能区重离子碰撞中的空间——动量关联[D].哈尔滨工业大学，2001.

[2] 冯启春.RHIC能区椭圆流演化的动力学机制研究[D].哈尔滨工业大学，2005.

[3] 王晓影.1.2A GeV Au+Au 碰撞中末态库仑作用对径向流分析的影响[D].哈尔滨工业大学，2004.

[4] 唐圭新.高能重离子碰撞中粒子发射源的玻色-爱因斯坦关联分析[D].哈尔滨工业大学，2004.

ClassNo.:O571.6DocumentMark:A

(责任编辑：郑英玲)

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

董刚，讲师，大兴安岭职业学院，黑龙江·大兴安岭。研究方向：物理课堂教学。邮政编码：165000

1672-6758(2011)04-0059-2

O571.6

A