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论相对论相对论重离子碰撞逐个事例流体力学模拟

收藏本文 2024-04-01 点赞:25232 浏览:111132 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子碰撞机以及欧洲核子中心的大强子碰撞机是当今碰撞能量最高的两个高能物理实验设备,目的是把重离子加速到相对论速度,并使它们发生碰撞。物理学家试图利用这种核碰撞设备产生高温高密的夸克胶子等离子体(QGP)并探讨这种新物质形态的性质。因为量子色动力学的渐近自由属性,最初人们认为形成的夸克胶子等离子体是弱耦合的夸克胶子气体,后来通过相对论粘滞流体力学模拟以及与实验结果的比较,人们发现相对论重离子碰撞机产生的夸克胶子等离子体的剪切粘滞系数与熵密度之比非常小,体现的更像强耦合流体,所以称之为强耦合夸克胶子等离子体(sQGP)。在核子模型中,相对论重离子碰撞可以看作是两个来自核子的部分子束流或夸克胶子束流之间的碰撞。根据能标和时间尺度的不同,相对论重离子碰撞实验的物理可以分为硬部分和软部分。高横动量转移的硬散射或非相干散射发生在碰撞的早期并在末态产生高能部分子喷注。根据不确定性原理,低横动量转移和纵向动量转移的碰撞,相干时间可比或大于原子核的大小。软部分子主要是胶子会在大的纵向距离上产生关联,并连结着互相穿越的两个重离子的领头价夸克和双夸克。这些关联的软胶子可以描述为低横动量,演化时间尺度远大于领头夸克的纵向色流管。这些色流管密度很高,因为占据的相空间相互重叠而形成一种凝聚态物质。在相对论重离子碰撞中,这种凝聚态物质也被称作色玻璃凝聚(CGC)。实验数据显示这些色流管在短于1fm/c的时间内实现了快速热化及局域热平衡,其机制仍然是个谜。目前人们认为有两种可能的机制:第一种是色流管先通过经典的场辐射或量子的对产生变成部分子碎片,这些部分子在2-2和2-3的散射历程中实现快速热化。第二种是非阿贝尔等离子体的不稳定性可以使系统快速达到局域各向同性,其散射率远大于部分子的微扰散射率。对于早期热化,既可以用部分子级联散射的输运模型也可以用基于Yang-Mills经典论述的胶子等离子体演化来描述相对论重离子碰撞后到1fm/c之前的预平衡阶段。达到局域热平衡之后的夸克胶子等离子体演化可以用理想或粘滞相对论流体力学模拟,在系统膨胀的晚期,夸克胶子等离子体温度降低到色禁闭的临界温度,部分子通过融合形成强子共振气体。这样的强子化历程可以通过流体力学模拟中的状态方程来描述,在演化的晚期当强子平均自由程很大的时候,系统远离局域热平衡,流体力学将不再适用。强子输运模型如超相对论量子分子动力学模型(URQMD)可以被用来描述系统接下来的演化。光滑初始条件的理想及粘滞流体力学模拟以及强子的级联散射被广泛用来探讨相对论重离子碰撞末态中低横动量强子的动量谱及椭圆流。通过流体力学模拟结果与实验数据的比较,人们试图确定相对论重离子碰撞产生的夸克胶子等离子体的剪切粘滞。人们需要提供能量密度以及流体速度分布作为流体力学模拟的初始条件。在真实的相对论重离子碰撞实验中,碰撞几何,核子在原子核内的相空间分布,部分子在核子内的相空间分布,色核的分布都是有涨落的。这些初始条件中的涨落对描述高阶尤其是奇次谐振流和双强子关联至关重要。由此人们借助涨落的初始条件,做逐个事例的流体力学模拟来描述相对论重离子碰撞实验的数据。比较实验得到的高阶谐振流与利用有横向与纵向涨落的初始条件,得到的逐个事例流体力学模拟结果,可以为确定夸克胶子等离子体的输运系数带来更严格的限制。除了可以用相对论流体力学描述的低能部分子系统的膨胀,早期产生的高能部分子喷注也会参与早期热化,夸克胶子等离子体演化和强子气体膨胀的整个阶段,并与膨胀系统中的软部分子发生相互作用。这种相互作用会导致高能部分子的能量损失,又称作喷注淬灭。高能部分子喷注淬灭强烈依赖于局域温度,可以作为探针来探讨相对论重离子碰撞系统膨胀的各个阶段。另一方面,膨胀系统的介质也会受到喷注淬灭所沉积的能量的影响。在有涨落的膨胀介质中和光滑的介质背景中,高能部分子的能量损失是大不相同的。由此利用有涨落的初始条件做逐个事例流体力学模拟对于探讨高能部分子喷注淬灭也是至关重要的。一个完整的模拟需要在相对论重离子碰撞的各个阶段既包含硬历程物理也包含软历程的物理。为了比较现实的模拟相对论重离子碰撞,我们必须全面考虑基于微扰量子色动力学的高能部分子喷注产生历程,低能部分子早期热化以及后期流体演化历程,高能部分子能量损失以及对两者的修正,碎裂强子化历程,部分子融合强子化历程以及强子共振气体散射历程。本论文聚焦于相对论重离子碰撞实验中的逐个事例相对论流体力学模拟。论文回顾目前国际上各组逐个事例流体力学模拟的初始条件,模拟程序以及大致结果,然后介绍我们编写的3+1维理想流体力学程序,利用多相输运模型(AMPT)得到有涨落的初始条件和我们发明的计算3+1维冷却超曲面的投影算法。在AMPT模型中,来自于迷你喷注的硬部分子和来自于弦碎裂的软部分子参与部分子级联散射,以期实现早期热化。经过预平衡阶段短暂的部分子级联散射,我们得到了同时拥有横平面涨落与纵向涨落的能量密度与速度分布,并用作逐个事例相对论流体力学模拟的初始条件。我们用逐个事例相对论流体力学模拟了200GeV的金核金核对撞以及2.76TeV的铅核铅核对撞,验证了横向涨落效应,并首先发现纵向涨落可以显著压低椭圆流。我们利用逐个事例相对论流体力学模拟得到双强子方位角关联并与实验数据比较,并探讨了初始速度和纵向涨落效应对双强子方位角关联的影响。利用(AMPT)的初始条件,我们的逐个事例相对论流体力学模拟自然给出对心碰撞时双强子方位角关联在快度方向的长程关联,迷你喷注产生的同向关联峰,以及由涨落引起的背向关联结构。我们介绍了3+1维理想流体力学程序数值实现的细节,以及利用格点玻尔兹曼策略解有粘滞的3+1维流体力学方面的探讨进展及部分结果。关键词:相对论重离子对撞论文逐个事例相对论流体力学模拟论文涨落论文方位角关联论文格点玻尔兹曼策略论文

    摘要5-8

    论文介绍8-17

    ABSTRACT17-21

    GLOSSARY21-23

    TABLE OF CONTENTS23-27

    Chapter 1 Introduction27-43

    1.1 Quantum Chromodynamics (QCD)27-32

    1.2 Relativistic hey ion colpsions32-33

    1.3 Quark Gluon Plaa33-38

    1.3.1 Predictions from Lattice QCD33-34

    1.3.2 Paron energy loss34-37

    1.3.3 Collective flow and constituent quark number scapng37-38

    1.4 Not quite understood properties of QGP38-43

    1.4.1 Strong couppng QGP38-39

    1.4.2 η/s of QGP39-40

    1.4.3 Fast thermapzation40

    1.4.4 Fluctuations in QGP40-43

    Chapter 2 Introduction to event-by-event hydrodynamic simulations43-61

    2.1 Hydrodynamic simulation for hey ion colpsions43-46

    2.2 Fluctuations in event-by-event hydrodynamic simulation46-47

    2.3 Fluctuating Initial conditions47-54

    2.3.1 Monte Carlo Glauber initial condition47-48

    2.3.2 Monte Carlo Color Glass Condensate initial condition48-51

    2.3.3 IP-Glaa initial condition51

    2.3.4 Parton Cascade initial condition51-53

    2.3.5 URQMD initial condition53

    2.3.6 NEXUS and NEXSpheRIO initial condition53-54

    2.4 Equation of State54-55

    2.5 Freeze out hyper surface calculation55-57

    2.5.1 Cuboidal method#55-56

    2.5.2 Kataja Ruuskanen method56

    2.5.3 Projection method56-57

    2.5.4 Matching cube method57

    2.6 Viscous effect in event by event hydrodynamic simulations57-58

    2.7 Hybrid model that couple hydro evolution with hadron cascade58-59

    2.8 Relativistic Lattice Boltzmann Method to solve hydrodynamics59-61

    Chapter 3 3+1D hydrodynamic simulation implementation61-83

    3.1 Numerical implementation for 3+1D ideal hydro61-67

    3.1.1 Conservation equations61-64

    3.1.2 FCT-SHASTA Algorithm64-67

    3.2 Relativistic Lattice Boltzmann Method for viscous hydro67-74

    3.2.1 History of Lattice Boltzmann Method67-68

    3.2.2 LBM for non relativistic hydrodynamics68-70

    3.2.3 Relativistic Lattice Boltzmann Method70-72

    3.2.4 Shear viscous pressure tensor from LBM72-74

    3.3 Freeze out hyper surface calculation74-81

    3.4 Resonance decs81-83

    Chapter 4 AMPT initial condition83-95

    4.1 Introduction83-87

    4.2 Get cascaded partons from AMPT87-89

    4.3 The centrapties and impact parameters corresponding89-90

    4.4 The fluctuations in AMPT initial condition90-91

    4.5 The initial energy density and flow velocity distribution91-95

    Chapter 5 Event-by-event hydrodynamic simulation results95-119

    5.1 Introduction95

    5.2 The fireball expansion95-97

    5.3 The freeze out with fluctuating initial condition97-99

    5.4 Hadron spectra from event-by-event hydrodynamics99-108

    5.5 Effects of longitudinal and flow velocity fluctuations108-114

    5.6 Partial Chemical Equipbrium114-116

    5.7 Conclusion116-119

    Chapter 6 Two particle azimuthal distribution and di-hadron correlation119-141

    6.1 Mini-jets thermapzation and diffusion of p_T correlation119-129

    6.1.1 Diffusion of p_T correlation due to jet quenching121-124

    6.1.2 Diffusion of p_T correlation due to hydro evolution124-129

    6.2 Di-hadron correlation from experimental data129-133

    6.3 Two dimentional di-hadron azimuthal correlation133-135

    6.4 Bin-bin correlation with AMPT initial condition135-139

    6.4.1 The near side peak137-138

    6.4.2 The harmonic flow explanation of C_(12)138-139

    6.5 Conclusion139-141

    Chapter 7 Conclusion and Outlook141-143

    REFERENCES143-159

    Appendix A SHASTA algorithm159-165

    A.1 The geometric interpretation of transport stage in SHASTA160-162

    A.2 Anti-diffusion Stage162-165

    Appendix B Self consistency check and cross check165-177

    ACKNOWLEDGMENTS177-179

    在读期间发表的学术论文与取得的探讨成果179-180

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