高能重离子碰撞与夸克.doc

13．高能重离子碰撞与夸克—胶子等离子体
核阻塞能力，如核子—核和核—核碰撞所揭示的，表示的是发生碰撞的核物质在碰撞过程中所实际损失的能量部分。由于碰撞核物质所损失的能量堆积在质心附近，因而高能核—核碰撞提供了一种能够产生非常高能量密度区域的极好手段。
13．1核阻塞能力与重子量
“核阻塞能力”用来表示一个入射核子在与另一个核碰撞时所受到的核物质的阻塞程度。除了是用来描述反应机制的一个重要的方面，核阻塞能力也与夸克—胶子等离子体的形成问题有关。由于在入射核物质损失动能的同时伴随着大量的粒子产生（主要是PI介子），因此在高能核—核中心碰撞中，一大部分的纵向能量转化为在碰撞系统质心附近产生的强子物质的能量。核—核碰撞的阻塞程度将提示在质心附近的能量密度是否足够高，以致可以发生相变导致形成夸克—胶子等离子体。
高能重离碰撞可以被分成两个不同的能量区域：即每核子的“无重子夸克—胶子等离子体”区域（或“纯夸克—胶子等离子体”区域），和每核子的“丰重子夸克—胶子等离子体”区域（或“阻塞”区域），这对应于在实验室系中每入射核子的能量大约几十个ＧeＶ.在无重子夸克—胶子等离子体区域，我们需要知道核阻塞能力以确定是否入射重子及靶重未被完全阻塞，而在质心区域只留下重子量很小的夸克—胶子等离子体。在丰重子夸克—胶子等离体区事阻塞区，根据核阻塞能力可以确定碰撞重子是否在质心系中被阻塞，并且堆积而形成一种重子密度很大的夸克—胶子等离子体。
对在质心系中每个核子能量为几个GeV的碰撞，由于入射快度和靶核快度间差距为3—4个单位和洛仑兹收缩使得产生物质的重子密度可能非常高。在这样高的重子密度下，重子物质的基态可能是解禁闭的夸克—胶子等离子体相，而不是处在强子相。在这样的情况下会发生从强子相物质到解禁闭夸克—胶子等离子体的相变，在阻塞区域产生高重子量的夸克—胶子等离子体。

在图13.1中给出了WA80合作组所做的16O对各种靶碰撞的实验结果。如果入射粒子没有被有效地阻塞，如靶核非常小的情况，则入射核损失大的入射能量的几率是非常小的。另一方面，当靶核足够厚并且碰撞参量足够小时，向前能量的传播将大为减少。从图中可以看出，当靶核从C到Au 变化时，核的半径越来越大，非弹性散射质子的向前能量分布的最高峰，从接近于入射能量处移到只相当于入射能量的一小部分的能量处。

图13.2中显示的质子数据主要来自由于碰撞而减速的重子，而不是来逢于碰撞过程中重—反重子对的产生，这种产生对中心快度区域的贡献可以通过对较高能量下的和产额差的测量来显示。14.6 AGeV的Si+Al的碰撞，入射束快度是3.35,快度的分布在中心快度区有一个宽的平台，其数值几乎是一个常数。平均来说，一个重子的快度被平移了约1.5快度单位，且重子的快度分布在一个宽的范围之内。对于像Si和Al这样的小入射核和靶核的碰撞来说，这样大的快度平移意味着在重核的碰撞中，重子阻塞是非常重要的。在涉及重核的高能核—核中心碰撞中，重子物质将被减速并且失去几个单位的快度。如果入射重子和靶重子的快度的间隔远大于几个单位，则在一次中心碰撞后，入射重子和靶重子的快度将远离中心快度区。当这种情况发生时，中心快度区的净重子量将是非常小的。对于质心系中每核子能量为100GeV的核—核碰撞，入射快度与靶快度的间隔为10.7个单位。入射快度同靶的快度间隔大得足以产生一种低重子量的中心快度区。在这些能量下的反应对于研究“无重子的夸克—胶子等离子体”区域将是有用的。
13.2高能核—核碰撞初始能量密度的Bjorken估计
考察在质心系中的两个相同核的对头碰撞。由于在纵向上有显著的洛伦兹收缩，可以用两个薄圆盘来表示两个碰撞的核。只考虑高能的极端情况，这时可以忽略纵向的厚度，同一核中核子的纵向坐标都可以近似认为是相同的。
图13.3(a)给出了在质心系中两个核碰撞前的图象，来自于且速度接近于光速的入射核B，与来自于，速度也接近于光速的靶核A在时空点（z,t）=(0,0)相遇，两个核中的核子发生碰撞。

每次非弹性核子—核子碰撞都伴随着大量的碰撞重子的能量损失。由于重子损失了能量和动量，它们在碰撞后速度就会降低，但当能量非常高时，碰撞后减速的重子仍可能有足够的动量前进，并离开碰撞区。如图13.3(b)所示。其中碰撞后的入射重子物质用B`表示，靶核重子物质用A`表示。重子损失的能量积累在z=0附近区域，这种能量积累的本质上是近似可叠加的。因此，当碰撞的核物质B`和A`在碰撞后彼此离开时（如果它们没有被阻塞），在一个短时间内会有大量的能量积累在一个小的空间区域内，这样在碰撞区产生的物质全有非常高的能量密度，但净重子量却很小。
Z=0碰撞区域附近积累的能量的量子可以是夸克、胶子或强子，在这一区域的能量密度很高，由此导致了Bjorken设想。如图13.4所示

13.3 夸克—胶子等离子体流体动力学
在夸克—胶子等离子体的流体动力学的描述中，在系统演化的不同时空点上，系统的全部动力学由能量密度场，压力场P，温度场T，以及四速度场来描述。在一个时空点的能量密度和压力P是在以该点的流元速度为零的坐标系中测量的，在这个坐标系F*中，该点的速度（u*0, u*1, u*2, u*3）为（1，0，0，0）。能量密度，压力P及温度T之间的关系满足态方程。
能量动量张量定义为在垂直于方向的每单位三维表面积上没方向的动量。这样，T00就是在垂直于第0方向的每单位三维表面积上沿第0方向的动量（能量）。垂直于第0方向的三维表面积就是空间的体积。因此，在流为静止的系F*中，我们有：
类似地，对i,j=1,2,3,Tij就是在垂直于第j方向的单位三维表面积上沿第i方向的动量。垂直于第１方向的三维表面元为，因而在参照系Ｆ*中能量动量张量T*11为
是作用在单位质量上于沿第1方向的力，作用在{2，3}方向的每单位面积的单位质量上沿第1方向的力，就是在{2，3}表面上沿第1方向的压力，因此，对一个压力是各向同性的流，我们有：

（13．6）和（13.7）式给了邮当流元处于静止时，以能量密度和压力表示的能量动量张量。在任何其他参照系F中，所考虑的流元以四速度运动，其能量张量能够通过张量变换，由能量动量张量而得到。在进行了这种变换（18）后，可以得到