RHIC能区重味强子方位角关联的实验研究

Heavy-flavor hadron, as a golden probe for Quark-Gluon Plasma (QGP) is the research frontier of high energy nuclear physics. Recent studies suggested that azimuthal correlations between heavy-flavor hadrons are sensitive to the early quark-medium properties, and therefore have the potential for studying the QGP evolution and energy loss mechanisms of the heavy quarks. In relativistic heavy-ion collisions, due to the limitation of the detector resolution, there's so far no direct measurements of the heavy-flavor azimuthal correlation. In early 2014, RHIC-STAR experiment had its inner tracking system upgraded with the installation of the new Heavy Flavor Tracker (HFT) which greatly enhanced the pointing resolution enabling precision measurement of heavy flavor hadrons. In this study, we aim at the first measurement of the azimuthal correlations between D-mesons, correlations between D-mesons and non-photonic electrons in Au+Au collisions at RHIC energies, investigating in-depth the medium properties and the energy loss mechanisms of heavy quarks inside the quark-gluon plasma. This study will serve as a fundamental research for future measurements with higher precision in sPhenix and upgraded ALICE experiments.

重味强子作为夸克胶子等离子体（Quark-Gluon Plasma，QGP）性质的黄金探针，是当前高能核物理研究的前沿和热点。重味强子的方位角关联对于QGP的早期演化十分敏感，是研究QGP热化程度和重味夸克在介质中能损机制的重要手段。实验测量重味强子方位角关联对探测器精度的要求极高，在重离子碰撞系统中迄今尚无直接测量。为开展重味物理精确测量，相对论重离子对撞机RHIC上的STAR实验于2014年初升级运行了重味径迹探测器HFT，大幅提升了探测精度。本研究拟基于STAR重味径迹探测器采集的大统计量高精度数据，通过强子道完全重建D介子，采用拓展的关联背景重建方法，在RHIC能区金-金碰撞中首次测量D介子-反D介子、D介子-非光电子方位角关联，深入探索QGP性质和重味夸克能损机制，为今后sPhenix和升级后的ALICE实验开展更高精度的重味关联研究奠定基础。

研究相对论重离子碰撞中产生的夸克-胶子等离子体(Quark Gluon Plasma，QGP)性质是人类探索宇宙起源、认识物质世界基本规律的重要手段。重味夸克在相对论重离子碰撞中产生早、质量大，作为QGP的黄金探针，是当前高能核物理研究的前沿和热点。研究表明重味强子的方位角关联对于QGP早期演化十分敏感，有助于深入揭示QGP的性质。本课题开展了针对重味强子方位角关联的实验研究和基于蒙卡模拟的方法学研究。在相对论重离子对撞机RHIC-STAR实验高能质子碰撞数据基础上，通过强子道完整重建D介子，在RHIC能区首次测量D介子-反D介子方位角关联，系统性地比较微扰QCD计算结果。同时，为探索研究重离子碰撞系统，发展了关联背景重建方法，通过蒙卡模拟，在不同信噪比情况下充分检验关联信号重建方法有效性，同时预估了sPHENIX实验预期统计量下D介子-反D介子关联测量信号测量显著度。此外，本课题还研究了高能核-核碰撞初始涨落和末态集体流涨落特性，探索研究了包含重味夸克在内的部分子碰撞和演化机制，对于深入理解强子关联和重夸克能损具有重要意义。本项目研究执行期3年，在本项目资助下共计发表3篇研究成果论文于国际主流核物理期刊。