1、幾千年以來，人類的好奇心驅使我們一直在問同樣的問題：組成我們物質世界的最基本物質是什么?它們是通過什么樣的方式組成我們的世界的?1883年，英國科學家道爾頓展了古希臘哲學家德謨克利特的樸素原子學說，提出物質是由原子組成的。隨著近代科學技術的不斷發(fā)展，人類對微觀世界的探索不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)原子是由處于最中心的帶正電的原子核和它外圍的帶負電的電子組成的，原子核內包括帶正電的質子和不帶電的中子。隨后，通過電子打核子的深度非彈實驗，人們認識到這

2、些粒子可能有更基本的組成，這就是夸克和膠子。但是一直以來，人們并不曾觀察到自由存在的孤立夸克。一種自然的解釋是夸克通過相互作用被禁閉在強子里，這種相互作用稱為強相互作用。描述強相互作用的理論-量子色動力學(QCD)指出所有參與強相互作用的基本粒子都是夸克q和反夸克((-q))的束縛態(tài)。在通常條件下，我們所觀察到的QCD物質都是以強子氣體形式存在的。
　　 有兩種可能打破強子束縛的途徑，一是：將強子物質壓縮，即增大核子物質密度，使

3、強子口袋相互重疊而破裂，這樣夸克和膠子就能在較大的空間范圍內自由運動；另一種方法將系統(tǒng)加熱，使溫度升高到足夠高，真空中會產生很多正反夸克對，大量的夸克膠子發(fā)生激烈碰撞，從而可能形成夸克和膠子在較大范圍內運動的狀態(tài)。格點QCD理論預言，在極高的溫度或者高重子數(shù)密度下，強子物質(夸克的禁閉相)會解禁閉形成其解禁閉相——夸克膠子等離子體(Quark Gluon Plasma-QGP)。進一步的數(shù)值計算顯示，在臨界溫度Tc～160MeV(零密度

4、)或物質密度5～10倍正常核物質密度(零溫度)時會發(fā)生QGP相變。
　　 夸克膠子等離子體可能存在于宇宙大爆炸早期階段(很高的溫度)以及中子星(重子數(shù)密度很高)內。然而這兩種情況要么發(fā)生在過去，要么距離我們太遙遠，沒有辦法去直接測量。在實驗室，通過電磁場加速，我們讓兩束重離子以高速進行對撞，從而生成能量密度比較高并且壽命比較長的強相互作用物質，QGP有可能在這種情況下出現(xiàn)。重離子碰撞的主要目的之一就是希望在實驗室條件下達到QGP

5、相變所需要的高溫高密環(huán)境，研究極端條件下的物質性質。從早期的伯克力(Berkeley/Bevalac)到歐洲核子中心(CERN)的超級質子同步加速器(SPS)，以及布魯克海文實驗室(BNL)的交變梯度同步加速器(AGS)和相對論重離子對撞機(RHIC)，人們已經(jīng)對高溫下的物質性質進行了很多卓有成效的研究。
　　 實驗上，我們只能測得末態(tài)的強子分布，希望通過末態(tài)強子說攜帶的信息尋找夸克膠子等離子體存在的信號?！凹w行為”是指在一次

6、碰撞事件中所觀察到的多個粒子的共同性質，它是一種可能的信號。它源于中心快度區(qū)形成的火球從中心到邊緣的密度梯度。我們稱大量的粒子具有相同的運動方向和速度為“集體流”。按照方向的不同，流可分為“縱向流”和“橫向流”。“橫向流”又能分為“徑向流”和“各向異性流”。各種流是整個集體流在不同物理圖像方面的表現(xiàn)形式。
　　 在非對心碰撞中(碰撞參數(shù)b≠0)，“反應平面”被定義為碰撞參數(shù)和束流方向所決定的平面。系統(tǒng)初始坐標空間中的方位角各向異

7、性在橫向平面(垂直于反應平面)有一個類似橢圓的形狀，密度梯度在橢圓短軸上比長軸上大，碰撞重疊區(qū)域粒子頻繁的相互作用把密度梯度轉化為壓力梯度，導致壓力梯度在橢圓短軸方向比長軸上大，表現(xiàn)為橢圓短軸上有較大的“徑向流”。又由于這些粒子運動速度在兩個不同方向的差別，橢圓長軸和短軸之間的壓力梯度差將不斷減小。因而，“各向異性流”產生并發(fā)展于系統(tǒng)的早期，反映了系統(tǒng)的早期性質。實驗上，我們用末態(tài)粒子在橫向平面上的方位角分布的傅立葉展開來描述動量空間的

8、各向異性，傅立葉展開的系數(shù)就是“各向異性流”參數(shù)，第二諧波系數(shù)對應于橢圓的方位角分布，也稱為“橢圓流”參數(shù)v2。
　　 RHIC實驗對各向異性橢圓流參數(shù)v2測量已經(jīng)有了很多結果。在其最高質心能量√SNN=200GeV下，在低橫動量區(qū)，實驗上觀測到了流體力學所預言的強子質量順序性，它表明在AuAu碰撞中產生的物質是具有極低粘滯性的“液態(tài)”流體系統(tǒng)，并且已經(jīng)形成了部分子層次的集體運動；在中間橫動量區(qū)，實驗上觀測到強子的組分夸克數(shù)目標

9、度性，它表明系統(tǒng)達到了解禁閉態(tài)。另外，多重奇異粒子橫動量分布和橢圓流的結果暗示了系統(tǒng)可能已經(jīng)達到了部分子層次的熱化。值得注意的是，在RHIC能區(qū)，關于系統(tǒng)動力學熱化的討論直到現(xiàn)在還沒有明確的結論。流體力學計算結果假設系統(tǒng)是理想流體，并成功的重復了RHIC能區(qū)的部分實驗結果。此外，基于對帶電粒子v2/εpart的討論暗示了，在RHIC能區(qū)系統(tǒng)可能在中心碰撞中達到了熱化。
　　 在不改變束流碰撞能量的情況下，用UU代替AuAu碰撞是

10、驗證系統(tǒng)是否熱化的一種有效手段。理論上，在完全對心的條件下，UU比AuAu碰撞系統(tǒng)沉積的能量要高30％。這說明在UU碰撞里有更頻繁更激烈的相互作用，系統(tǒng)更容易達到熱化。這對研究部分子物質的熱化性質是非常有幫助的。RHIC已經(jīng)計劃2012年實施部分UU碰撞。德國GSI/SIS300也在計劃實施30AGeV的UU碰撞實驗，中國蘭州的HIFRL-CSR主環(huán)外靶實驗也在計劃實施束流能量Eb/A=0.52GeV的UU碰撞。雖然早些年，就有人提出要

11、在高能重離子碰撞實驗上實施UU碰撞，但是相應的實驗一直沒有展開實施?？紤]到，238U核是自然界最大的穩(wěn)定形變核，其在初始坐標空間具有長橢球幾何外形。當沿著不同的軸向發(fā)生UU碰撞時，相互作用的強度和時間是非常不一樣的，特別是在兩種極端方位——頭頭和體體碰撞下。在CSR能區(qū)，前者在碰撞過程中產生的高密物質壽命大約是后者的兩倍。如此長時間的相互作用，有利于熱平衡的實現(xiàn)。因此，我們最希望能在頭頭UU碰撞里面看到明顯的熱化性質。
　　 對

12、于，激化靶實驗，我們可以直接選擇激化的方向來實現(xiàn)特定方位的UU碰撞；但是對于非激化U核，射彈和靶在反應平面具有隨機的碰撞方位。如何通過選取末態(tài)的某些課測量物理量或可觀察量，判選出我們所希望的頭頭UU碰撞事件，將是研究頭頭UU碰撞下高密物質性質的關鍵。在這篇論文里，我們模擬并研究了在CSR能區(qū)形變核UU碰撞，重點學習了碰撞方位對重子物質密度的影響，通過試探，找到了兩個實驗上的可測量物理量-前向中子數(shù)和核阻止本領，分別用作快速在線分析和離線

13、分析，從而最終得到所期望的包含大部分的頭-頭UU碰撞事件的子樣本。我們也希望，有關UU碰撞方位對末態(tài)測量量的影響的相關學習和研究，能為將來在高能下實施UU碰撞實驗，提供有益的參考。
　　 最近，有限溫度格點規(guī)范理論給出的QCD相圖是：在低溫高重子化學勢區(qū)，QGP相和強子相之間是一級相變；隨著溫度的升高和重子化學勢的降低，一級相變曲線在臨界點終止；在更高溫度和更低化學勢條件下，QGP相和強子相之間平滑過渡(crossover)。理

14、論估計，在RHIC(以及將來的LHC)高能區(qū)，凈重子化學勢低，從強子物質到QGP的轉變是平滑過渡。為學習相圖，在2010年4月，RHIC將實施RHIC/STAR低能掃描(BES)實驗，其目標就是為了尋找QCD相圖上的一級相變相邊界和臨界終止點。其能量掃描范圍大約是√sNN=5～30GeV。簡單的測試(√sNN=9.2GeV)已經(jīng)在2008年秋實施，實驗上僅僅得到約3，000個可利用的AuAu最小無偏事件。粒子產額、譜以及強子流等的分析，

15、顯示了與早先的AGS能區(qū)相似的結果。
　　 關于在臨界終止點高密物質的性質，目前還沒有理論能給出明確的預言。有兩個最有可能用于判斷是否出現(xiàn)臨界點和相邊界的信號—凈重子起伏和強子橢圓流。前者認為，在臨界終止點，可能會遭遇非常強烈的動力學起伏；后者認為，在RHIC能區(qū)看到的強子橢圓流的組分夸克標度性是部分子特有的行為，對于僅僅只有強子物質相互作用的系統(tǒng)，這種標度行為將不會出現(xiàn)。特別是多重奇異粒子φ，其組分是s(-s)。由于s夸克與輕

16、夸克較小的相互作用界面，這些φ將直接從碰撞早期產生，并且不參與或者不完全參與輕夸克的集體行為，其強子橢圓流將比普通強子要小，甚至為0。因此在低能一級相轉變區(qū)域，強子橢圓流的標度性將不成立。
　　 在這篇論文里，我們通過研究√sNN=9.2GeVAuAu下強子橢圓流參數(shù)，提出強子橢圓流的組分夸克標度性可以用來作為尋找QCD一級相變相邊界和臨界終止點的有效探針，特別是多重奇異粒子φ。如果實驗上，做一個從低能到高能的逐點掃描，在部分子