傅永平，郗勤

?

相對(duì)論重離子碰撞產(chǎn)生的大橫動(dòng)量光子

傅永平，郗勤

（滇西科技師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，云南 臨滄 677000）

利用微擾量子色動(dòng)力學(xué)和部分子模型，研究了相對(duì)論重離子碰撞中冷組分部分子相互作用產(chǎn)生的大橫動(dòng)量光子．在微擾量子色動(dòng)力學(xué)中，大橫動(dòng)量的光子產(chǎn)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(tài)的光子碎裂產(chǎn)生．理論計(jì)算結(jié)果能夠較好地解釋大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)鉛-鉛2.76 TeV碰撞產(chǎn)生的光子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

大橫動(dòng)量；光子產(chǎn)生；微擾量子色動(dòng)力學(xué)；部分子模型

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

1 大橫動(dòng)量快光子產(chǎn)生過(guò)程

相對(duì)論重離子碰撞是深度非彈性散射，具體發(fā)生在重核內(nèi)部各個(gè)對(duì)頭碰撞的核子之間．對(duì)于核子碰撞過(guò)程，定義反應(yīng)的總曼德斯坦（Mandelstam）變量為，，．其中：，分別代表核子，的動(dòng)量；，是散射末態(tài)部分子的橫動(dòng)量，是核子-核子碰撞的質(zhì)心系能量；為質(zhì)心系下部分子的散射角．對(duì)于核子-核子碰撞的子過(guò)程，定義子過(guò)程的曼德斯坦變量為，，，部分子動(dòng)量與核子動(dòng)量的比約肯（Bjorken）比率為．對(duì)于部分子的單舉過(guò)程，滿足動(dòng)量守恒，于是可得子過(guò)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(guān)系為，．其中：參數(shù)；．

利用部分子模型可以將核子-核子碰撞的微分截面寫(xiě)為

2 末態(tài)噴注的碎裂光子產(chǎn)生過(guò)程

圖1 快光子、碎裂光子以及低橫動(dòng)量熱光子與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

3 計(jì)算結(jié)果和結(jié)論

部分子模型是處理相對(duì)論重離子碰撞產(chǎn)生大橫動(dòng)量光子的有效理論模型，快光子、碎裂光子以及低橫動(dòng)量熱光子與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)圖1（圖1中數(shù)據(jù)點(diǎn)表示大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)ALICE探測(cè)器獲得的大橫動(dòng)量光子數(shù)據(jù)；虛線表示快光子產(chǎn)生的理論計(jì)算結(jié)果；點(diǎn)虛線表示碎裂產(chǎn)生的光子；點(diǎn)線表示低橫動(dòng)量的熱光子；實(shí)線表示以上所有貢獻(xiàn)之和）．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別來(lái)自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）ALICE實(shí)驗(yàn)組的鉛（Pb）-鉛（Pb）=2.76 TeV碰撞產(chǎn)生的光子譜[8]．熱光子的產(chǎn)生無(wú)法用量子色動(dòng)力學(xué)微擾方法進(jìn)行計(jì)算，只能依賴強(qiáng)關(guān)聯(lián)方法和有限溫度場(chǎng)論進(jìn)行計(jì)算，這導(dǎo)致了熱光子只在低橫動(dòng)量區(qū)域占主導(dǎo)作用．從圖1可以看出，熱光子只在<4.5 GeV區(qū)域有明顯貢獻(xiàn)，但在更高的大橫動(dòng)量區(qū)域占主導(dǎo)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(duì)論重離子碰撞的大橫動(dòng)量光子實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好．

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

參考文獻(xiàn)：

[1] FU Yong-ping，LI Yun-de．Production of Large Transverse Momentum Dileptons and Photons in pp，dA，and AA Collisions by Photoproduction Processes[J]．Physical Review C，2011，84：044906（1）-044906（8）

[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，F(xiàn)IELD 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

云南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012Y274）；滇西科技師范學(xué)院高層次人才引進(jìn)科研啟動(dòng)項(xiàng)目；滇西科技師范學(xué)院校級(jí)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