相对论性重核碰撞和RHIC实验

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物理雙月刊（廿四卷六期）2002年12月

相對論性重核碰撞和RHIC 實驗

湯兆崙a 林宗泰b 章文箴c

a:國立中正大學物理系 e-mail: jawluen@.tw

b:國立中央大學物理系 e-mail: t221312@.tw c:中央研究院物理研究所

e-mail: changwc@.tw

一、 前言

核子物理的發展由透過各種激發態、超形變態（super-deformed state ）及誘發原子核的分裂來了解原子核內部質子、中子結構。進一步利用加速器加速離子撞擊原子靶，在質心座標系反應能量 （√s ）高於 109

eV 時，大塊核結構已無法再保持，單一核子（nucleon ）與核子的作用產生許多強子（hadrons ），這是相對論性重核碰撞（Ultra-Relativistic Heavy Ion Collisions ）的研究，藉以產生高能量及高密度強子物質態（hadronic matter ）。

在對強作用力的認識，有兩個基本的問題，第一、強作用力的基本粒子夸克與膠子為何不能從核子束縛中被分離出來，第二、為何夸克有質量，

甚至極端不同的質量，而造成理論架構中的對稱性不見於實驗觀察[1]。相對論性重核碰撞正可以提供答案：碰撞中所產生的高度激發狀態在理論上的預測可能發生強作用力的相變（QCD Phase transition ），進入一種新的物質狀態可能發生強作用力，產生一種新的物質狀態，夸克膠子電漿態（QGP, Quark Gluon Plasma ）（圖一），在此種狀態中，夸克與強作用力交換粒子－膠子將不再有束縛效應（confinement effect ）, 在巨觀尺度上成為新的自由度（degree of freedom ），另一伴隨的現象則為「破壞角度對稱恢復」 (Restoration of chiral symmetry)， u 、d.、s 夸克的質量將變小和非常相似，不同種類的夸克的含量成為相同；另外也是宇宙生成大霹靂模型所預測的最早由能量轉換而成的物質（圖二）。因此在實驗上如能驗證「夸克膠子電漿態」

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將幫助我們對於強作用力隨著温度及核子密度的

圖像及宇宙生成的瞭解。

相對論性重核碰撞的實驗設施自AGS 到最新的RHIC ，其反應能量及碰撞核種整理列於表一。在實驗上驗証QGP 狀態的存在是十分困難的，原因在於此狀態僅為碰撞過程中的中間狀態，在末後，系統膨脹冷却後，我們所能偵測質點仍為QCD 正常狀態下的強子（hadrons ），如何從末狀態中判斷QGP 曾經發生過是一個大挑戰（圖三）。

其間有許多實驗量測特徵（signature ）被提議及研究，大致可分為以下兩類：

１．穿透性探子：（penetrating probe ）：這類質點主要是可透過進行電磁作用衰變，例如向量介子，光子。這種質點產生後，因其本身或衰變產物與核物質區域反應截面小，可以不受離開而被我們偵測到，因此它們提供一個相對可靠、無疑的方法來監測碰撞過程自始至終的變化。但一般而言，它們的產量極小，且有大量背景，在量測上極為不易。

２．強子及奇異子(hadronic and strangeness probe) 方

法。這一類質點產量大，易測量，但因與核物質反應截面大，當其產生後，有強烈的末狀態作用(final state Interaction)，導致在實驗結果的推演較有疑問。這粒子包含核子（Ｎ），π介子，K 、Φ介子。

對於上述的粒子，我們大致透過測量下列兩方面的性質：

１． 熱動力學特質（Thermodynamics ）: 測量

縱向、横向的動量(momentum)分佈及質點產量(yield)比例以期明白反應系統是否達

圖一：強作用力的相圖（Phase diagram ）。

圖二：夸克膠子電漿態（QGP, Quark Gluon Plasma ）在宇宙生成大霹靂模型中的角色。

圖三：相對論性重核碰撞過程。

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到平衡態(equilibrium)，並進一步決定其熱

動力學參數如温度(temperature)、化學位能(chemical potential)。

２． 集體特性（Collective Effects ）: 測量每一

反應事例中，各質點中動量、位置的關連性(correlation)，這將反應碰撞過程中的狀態方程（equation of state ）。

各種夸克膠子電漿態實驗量測特徵之提議整理於表二。

在歷經進十五年的研究中，對於其中反應的圖像大約可歸納如下：

表一：相對論性重核碰撞的實驗設施。

1.

能將加速能量轉換質點作用。由量測結果推演出來的温 度（T ）~=150—170

MeV 範圍，已在晶格量子色動力學（lattice QCD ）所預測QCD 相變發生的區域。

2.

有集體動力特質：在射束平行及 垂直方向我們觀察到顯著的動量與反應幾何結構的關聯，這証明反應中的EOS 是持續發生作用的。 3.

碰撞產物能量的分佈改變；如CERES 實驗中所量測低質量正負電子對的產量超過hadronic 圖像的預測，和Ｊ／Ψ粒子在高能量區域的抑制，顯示反應區域的

特性的確與我們從低能量的推演所得到圖像是不同的。

二、

相對論性重離子對撞器 (Relativistic Heavy Ion Collider ，RHIC)

因篇幅所限，本文僅就最新之RHIC 設備及台

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灣中央大學所參加之PHOBOS 實驗作一簡介。 相對論性重離子對撞器 (Relativistic Heavy Ion Collider) 是興建於美國紐約長島布魯克汶實驗室(BNL ，Brookhaven National Lab)的高能對撞機（圖四），它可以用來加速質子、重離子，最大能量可以加速金離子至100GeV ，進行正面對撞；在質心座標系的反應能量為200 GeV （圖五），是在歐洲

表二：夸克膠子電漿態的實驗量測特徵

大強子對撞器（Large Hadron Collider, LHC ）興建前最高能量的對撞器。

在圓周2.4英哩的加速環上，有六個對撞點，

分別設置有四個實驗組：STAR, PHENIX, PHOBOS, 和BRAHM 。RHIC 已於2000年三月正式運轉，碰撞能量由130GeV 到2001年提昇至200GeV ，並成功進行極化質子的碰撞；已有多篇期刊文章發表。其中中央大學高能物理組參與PHOBOS 實驗，有重要的貢獻。

PHOBOS 實驗簡介

PHOBOS 實驗是目前BNL-RHIC 計畫中四個研究團隊之一，利用相對論重離子對撞，找尋夸克膠子電漿態。PHOBOS 在希臘語所代表

的意思是「恐懼」，係希臘神話中，戰神(Mars)阿雷士(Ares)和維納斯(Venus)阿佛洛狄特(Aphrodite)所生的兒子之一。在英文中，它是火星兩顆不規則月亮中較接近火星的一顆，在太陽系是體積最細小的衛星之一。理論預測，大約五千萬年之後，它將會墜毀在火星地表上或者(更可能會)碎裂成一個環。筆者引申其涵義為，PHOBOS 在其他大型研究團隊如STAR 或PHENIX 算是很小的一組，應該戒慎恐懼，自強不息。

PHOBOS 的特點是整個實驗主要是由四百

多片矽偵測器所構成，靈敏度與感測效率高，解析度佳，藉由量測重離子對撞後的各方向粒子數目分布與動量，了解其生成機制與作用，進而推算出反應溫度及可能相變，探討夸克膠子電漿態。

圖四：相對論性重離子對撞器 (Relativistic Heavy Ion Collider ，RHIC)的鳥瞰圖。

圖五：STAR 實驗組所記錄的200 GeV 金金原子核碰撞後產生的帶電粒子軌跡（取材自/RHIC/images/ev2_front1.jpg ）。