相对论重离子碰撞中的部分子强子化输运模型

Employing Monte Carlo technique we develop a hadronization model for quarks and gluons produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions. Compared to the standard quark coalescence model, the new to be developed hadronization model has several advantages. Gluons are included in recombination processes, back reactions such as break-up of hadrons in the mix phase are taken into account, and the mean field is added into the Boltzmann equations for partons, in order to have the same equation of state as obtained by lattice QCD calculations. To investigate hadronization process stochastically the hadronization probabilities are introduced. They are the model parameters and obtained by fitting the RHIC experimental data and the results from hydrodynamics calculations. The new hadronization model will strictly conserve momentum and energy and keep the entropy increasing during hadronization processes, which are the basis for further detailed studies. The new model will connect the parton transport model BAMPS and the hadron transport model UrQMD and, thus, is the essential part of the complete model describing the particle production and its space-time evolution in ultra-relativistic heavy-ion collisions. The proposed project will bring know-how to get advantage in data analyses for FAIR-CBM experiments, which will start in four or five years.

本项目涉及相对论重离子碰撞中产生的夸克胶子等离子体的强子化过程，将应用蒙特卡罗数值计算方法构造新的部分子强子化模型。相对传统的夸克组合模型，创新发展的强子化模型融入胶子在强子化中的作用，考虑了夸克胶子强子混合系统中强子中的夸克胶子重新解禁闭的反过程，在波尔兹曼输运方程中增加平均场项，拟合格点QCD计算给出的QCD相变附近的物质状态方程。理论研究中将引入强子化几率的新概念，并通过拟合RHIC实验数据和流体力学计算结果来确定各种不同强子化过程的强子化几率。新构造的部分子强子化模型将严格遵守强子化过程中动量及能量守恒、熵增长等物理学基本规律，为系统地研究强子化过程打下基础。它是连接夸克胶子输运模型BAMPS和强子输运模型UrQMD的纽带，是完整地模拟相对论重离子碰撞的计算模型中不可缺少的组成部分。本项目的研究将使我们在参与四到五年后开始实验的FAIR-CBM实验物理分析中占得先机。

夸克胶子是构成物质的基本粒子，由于禁闭它们不能直接被探测到，因此给探究禁闭这一物理问题带来困难。在相对论重离子碰撞中能产生大量的夸克胶子，随着QCD物质的膨胀，当温度降低到一定值时，夸克胶子物质经过相变禁闭到强子中。对夸克和胶子如何结合成强子的贫乏认识给定量地研究夸克胶子等离子体的物理学性质带来不确定性。另外，正在 RHIC 进行的能量扫描实验，其目标是寻找QCD相变的临界点，这对理解QCD相变有着重大的科学意义。项目负责人所申请的面上项目计划理论研究相对论重离子碰撞中夸克胶子（也称作部分子）转变成强子的过程，也称强子化。.在本项目的执行中，我们建立了描述相对论重离子碰撞中膨胀的夸克胶子气体到强子气体的一级相变的输运模型。在一级相变下，部分子相和强子相的温度、压强、化学势保持相等。这是检验我们建立的微观模型是否适用的必要条件。相对传统的夸克组合模型，我们创新发展的强子化模型融入了胶子在强子化中的作用。相变的过程是由诸如两胶子到两派介子等微观过程完成的，其发生几率由宏观部分子体积和强子体积随时间的变化来决定。我们建立的模型即使在有粘滞效应的情况下也是非常成功的。在蒙特卡罗模拟计算中我们看到部分子相和强子相的温度、压强、化学势在相变过程中相等并保持不变；总熵随着粘滞系数的增大而增长。这些都是前人工作中未曾得到的新进展。另外，在有限重子化学势下，由于重子数守恒，我们发现，对于夸克胶子气体到强子气体的一级相变，系统的粘滞系数是确定的值。由于QCD临界点是一级相变的终点，所以我们的新发现对在重离子碰撞实验中寻找临界点有着重要的参考价值。.另外，在本项目原计划之外，负责人还对相对论重离子碰撞中胶子的玻色-爱因斯坦凝聚、胶子辐射对部分子的集体流和能量损失的贡献、重夸克产生等热点课题进行了研究，取得了重要的研究成果。项目执行期间共发表13篇SCI论文，其中2篇发表在Physical Review Letters上。