LHC/ALICE 实验中重夸克集体关联研究

In ultra-relativistic heavy-ion collisions, heavy quarks (charm and beauty), with large masses, are produced in pairs predominantly in initial hard-scattering processes on a time scale shorter than the quark-gluon plasma (QGP) formation time. Consequently, they interact with the medium constituents via inelastic and elastic processes. Therefore, heavy quarks are regarded as effective probes of the QGP properties. However, it is an open question whether low-momentum heavy quarks participate, through interactions with the medium, in the collective expansion of the system and whether they can reach thermal equilibrium with the medium constituents. In this project, the anisotropic flow of open heavy-flavour hadron decay muons will be studied in Pb-Pb collisions with ALICE. Based on the data measurements, the collectivity and the thermal degree of freedom of heavy quarks will be investigated to extract the transport properties of heavy quarks in the QGP medium; the path-length dependent heavy quark in-medium energy loss and the heavy quark in-medium fragmentation mechanisms will be further explored. In addition, the study of the collectivity of heavy quarks will be extended to small systems (proton-proton and proton-nucleus collisions) to provide insight into the origin of the flow-like collectivity observed at high multiplicity in small systems and the properties of the matter created in such collisions.

在高能重离子碰撞中，重夸克（粲、美夸克）主要产生于碰撞初期的硬散射过程，在穿越随后形成的夸克-胶子等离子（QGP）的过程中与QGP内部分子相互作用，携带QGP内部信息，是探测QGP信号、研究QGP性质的重要探针。重夸克与QGP组份部分子间的相互作用，不仅会导致其能量损失，还可能使其热化，导致末态重味粒子的集体关联行为。对重夸克集体关联的研究是当前重离子领域一个十分新颖的热点课题。本项目将基于LHC/ALICE实验探测器，利用ALICE LHC RUN-II的更大数据统计量和更高探测精度，通过精确测量重离子碰撞中重味强子衰变缪子的各向异性流，研究重夸克的集体关联特性，深入理解重夸克在QGP内的输运特性、热化自由度和QGP的流体力学演化特性。本项目还将对重夸克集体关联特性的研究推广到小系统（质子-质子、质子-核）碰撞中，深入理解导致小系统碰撞中类流体关联现象的物理机制以及小系统末态物质的特性。

本项目基于欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的大型重离子对撞实验（ALICE）。在TeV能量前沿下，研究重夸克（粲、底夸克）在小系统（质子-质子、质子-铅核）与核-核碰撞中的集体关联。理解重夸克在夸克物质中的输运与热化特性，以及在小系统碰撞中集体关联行为的深层物理，并对碰撞初态特性进行实验限定。重夸克的集体关联不仅体现为末态粒子动量空间中的方位角各向异性，在核碰撞中，它还体现在系统演化所导致的径向流对粒子横动量（pT）分布的修正。基于研究目标，对重夸克缪子在铅核-铅核与氙核-氙核碰撞中产额pT分布核压低进行了综合观测。揭示出重夸克在夸克物质中存在重组合行为和热化自由度，发现相同事件多重数的不同核碰撞中核压低相似，并获得LHC能区高pT底夸克核压低的最精确测量之一。首创了基于机器学习多层分类的前沿数据分析方法，获得纯度高达90%的由底夸克强子衰变的非瞬时D介子样本，突破了之前研究中非瞬时D介子纯度难以高于30%的瓶颈。观测到非瞬时D介子相对于瞬时D介子核压低的显著减弱。对强核力耦合强度的夸克质量依赖，这一重要基础特性，给出了更强的实验限定。率先运用两粒子累积矩方法测量小系统碰撞中重夸克粒子的方位角各向异性分布，最终确认了重夸克在小系统碰撞中存在集体关联行为。揭示出，与轻部分子（轻夸克与胶子）不同，小系统中重夸克的集体行为很可能源于基于胶子饱和的初态关联。在底夸克偶素的产生对事件多重数依赖的研究中，揭示出多重部分子相互作用对其产生具有重要作用。同时，还对喷注内粒子的集体行为和喷注内奇异强子组分开展了首次研究。首创基于多维同时拟合技术的实验分析方法，实现对喷注内粒子与伴随粒子的高效分离。率先观测到喷注粒子的显著集体关联行为，并最先发现喷注内、外强子化特性的不同。此外，本项目对重夸克在小系统碰撞中的类流体动力学关联还开展了唯象学研究。