相对论重离子碰撞中的磁场与涡旋效应

发布时间：2020-11-18 19:22

　　相对论重离子碰撞可以产生夸克胶子等离子体(QGP),也可以产生极强的电磁场和流体涡旋场。这些强场可以导致手征磁效应(CME)和手征涡旋效应(CVE)等反常输运现象。它们分别是指磁场和涡旋场诱导出沿着磁场和涡旋方向的矢量流。在重离子碰撞实验中,人们期望它们分别导致电荷分离效应和重子分离效应。目前的实验结果定性地支持这些效应的预言,但是还没有强有力的证据显示它们是观测量的唯一来源,还存在其他背景信号的干扰。在理论研究方面,目前要解决的一个问题是:为了定量地给出这些效应的预言,必须首先掌握磁场和涡旋在重离子碰撞中的时空演化信息。在磁场方面,本文首先介绍了重离子碰撞初始时刻的磁场分布。在该时刻,高速运动的两个原子核会产生一个超强的磁场,如果仅考虑磁场在真空中的自由演化,则这个磁场随时间衰减得极快,不足以产生实验上可测的电荷分离效应。在真实的情况中应该考虑QGP物质具有欧姆电导率,电介质中的感应电流可以延缓磁场的衰减。在此基础上,本文又考虑了手征磁效应对磁场演化的影响。包含了手征磁效应的磁场演化可以用反常麦克斯韦方程来描述。我们通过用矢量球谐函数对磁场进行展开的方法对反常麦克斯韦方程进行求解。从其结果可以清晰地看出磁场随时间的演化行为包含了一个增长模式。它的来源是:在手征磁效应中,磁场诱导一个沿着磁场方向的电流,而这个电流又进一步产生磁场,这种正反馈模式会使磁场存在增长模式。由于手征磁效应来自于左手费米子和右手费米子之间的的数量差,如果在一个物理的体系中费米子的螺旋度和磁场的螺旋度可以互相转化,那么当磁场出现增长模式的时候,其螺旋度的增长会压低左右手费米子的数量差,从而减小手征磁效应和磁场增长的速率。我们的数值计算和解析得到的磁场渐进解都显示在系统总螺旋度守恒的模型中,磁场的增长模式最终得到了抑制而不会导致磁场的发散。在涡旋方面,本文研究了涡旋场在QGP中的空间结构。涡旋是速度场的旋度。它可以来自于非对心碰撞中的初始轨道角动量所带来的剪切流,也可以来自于火球的非均匀膨胀,包括横向流在横平面上的各向异性如椭圆流,以及横向流对纵向坐标存在的依赖关系。不同来源的涡旋场具有不同的空间结构:由轨道角动量产生的涡旋场整体上沿着角动量的方向并垂直于反应平面;而由火球的非均匀膨胀产生的涡旋场在不同的区域方向相反,呈现环状或四极矩结构。在重离子碰撞实验中,超子的极化可以作为一个探针来提取火球中涡旋场的时空信息。我们通过多相输运(AMPT)模型模拟了火球的集体演化过程,计算了涡旋场以及Λ超子的极化。在我们的结果中,和轨道角动量相关的Λ超子的整体极化和已有的实验测量结果能够符合。我们还计算了和火球非均匀膨胀相关的Λ超子的局域极化,希望能够在未来的实验中测量。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O571.6
【部分图文】：

方位角分布,相对论重离子碰撞,集体流,物质分布

因而末态粒子谱与原子核的单个核子独立进行碰撞的叠加是不同的，这??是支持ＱＧＰ被产生的重要依据之一。??下面我们以椭圆流巧为例加以说明。图１．３展示了椭圆流％的产生原因。??在图中我们看到，非对心碰撞的两个原子核在重叠区域中产生近似椭球的系统。??当它膨胀时，流体压强梯度的各项异性使它沿ｚ轴膨胀更快，最终导致末态强??子各向异性的横动量分布。这个效应被末态强子方位角分布的傅里叶展开式中??的二阶项的系数所体现，也就是楠圆流??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??ｉ?Ｐｌ??／?ｙＭ＾ｋ?罗＇，?Ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?？??：Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｐａｃｅ?Ｍｏｍｅｎｔｕｍ?ｓｐａｃｅ：??＊?ｉｎｉｔｉａｌ?ａｓｙｍｍｅｔｒｙ?ｆｉｎａｌ?ａｓｙｍｍｅｔｒｙ??＿?１．３相对论重离子碰撞中椭Ｍ流的产生，阌片取自［２Ｊ??图１．４展示了椭圆流〃２在ＲＨＩＣ－ＳＴＡＲ实验中的测量结果，图中数据取自文??４??

强子,夸克,标度,中数

图１．４?＝?２００?ＧｅＶ的Ａｕ＋Ａｕ碰掩中的强子椭＿流对组分夸克数的标度率，图中数??据取自［３｜??

示意图,手征,磁效应,示意图

我们看到右手夸克和反夸克的自旋方向和动量方向相同，而左手夸克和反夸克??的自旋方向和动量方向相反。??在外磁场Ｂ中，带电的夸克被磁场极化。如图１．５所示，带正电的＾＾和＾＾??的自旋倾向于沿着磁场的方向；而带负电的和则刚好相反。根据这些粒??子的自旋方向，以及自旋和动量的绑定关系，即螺旋度，我们可以定出它们的动??量方向，其中右手夸克Ｑ／ｉ和左手反夸克沿着磁场运动，而右手反夸克??和左手夸克Ｑｌ逆着磁场运动。这些粒子的运动将形成矢量流４?＝?在??图１．５中，和形成沿着磁场方向的矢量流，而Ｑｌ和〇１形成逆着磁场方??向的矢量流。如果系统中的右手粒子与左手粒子的数目不相等，那么就会出现净??的非零矢量流。理论计算表明这个矢量流的大小是［２９，３０］??ｊＣＭＥ?＝?ｇＢ）?（１．２）??其中９是夸克的电荷，你是手征化学势，它表示右手粒子与左手粒子的数目之??间的不平衡程度。拘又可表示为作＝（Ａｉｆｉ?＿?Ｍｌ）／２，其中和／＾分别是右手??粒子和左手粒子的化学势。??从公式（１．２）可以看出
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