高能反應

高能反應是我們研究強子結構與強相互作用性質和發展QCD可靠計算方法的重要場所，自旋與核效應則是進行這類研究的重要手段。

基本介紹

• 中文名：高能反應
• 外文名：High-energy reaction
• 分類：基本粒子對撞與重離子碰撞

高能反應是我們研究強子結構與強相互作用性質和發展QCD可靠計算方法的重要場所，自旋與核效應則是進行這類研究的重要手段。高能反應通常被分為兩個大類:基本粒子對撞與重離子碰撞。

高能反應的QCD理論

QCD因子化定理是我們描述高能反應過程的理論基礎。基於因子化定理，高能散射過程的微分截面可以被因子化為微擾可算硬部分和部分子關聯函式之間的卷積。這些部分子關聯函式描述軟物理，雖然不是微擾可算的，但卻是在任何過程中都普適的。依據於對部分子內享橫動量有沒有依賴，部分子分布函式可以歸類為二大類:共線部分子分布函式和橫動量依賴部分子分布函式。對於共線部分子分布函式的研究已經被推廣到階壓低的膠子一夸克關聯函式。這一類higher twist分布函式雖然沒有明確的幾率解釋，但在自旋依賴與核依賴效應的研究中扮演了非常重要的角色。這些higher twist函式與領頭TMD分布函式之間也有著緊密的關係。

高能反應單自旋不對稱理論

理解核子結構的一個重要方面是:它的自旋來源於哪裡?在靜態夸克模型中，夸克的自旋加起來就是核子的總自旋。然而深度非彈實驗表明，對一個高速運動的核子，膠子和軌道角動量都對核子自旋有很重要的貢獻。在一個極化的高速運動的核子中，夸克自旋對核子自旋的貢獻只占30%左右。事實上，高能自旋物理領域意外的發現遠不止如此，早在上世紀70-80年代，實驗上就發現了一系列高能對撞中的意外自旋效應，最著名的可能是異常大的單橫向自旋不對稱效應。由於leading twist微擾QCD領頭階計算結果為0，單自旋不對稱效應成為研究higher twist效應以及核子關聯函式的重要手段。

對高能反應過程中單自旋不對稱的理論研究可分成兩個階段:上世紀90年代初開始的唯象描述為主的階段和近年來微擾QCD理論計算為主的階段。

高能反應中的核效應

在高能核子-原子核、輕子-原子核、原子核-原子核碰撞中，諸如高橫動量jet和強子產生等硬過程給我們提供了非常好的機會去研究核物質和夸克-膠子電漿。這些硬過程的初始產生幾率可以在微擾QCD框架下被精確的算出。當硬過程中產生的高能部分子穿越核或夸克一膠子電漿物質時會經受媒介物質的進一步散射。這樣的多重散射過程導致的二個顯著的效應是：末態jet的橫動量的拓寬（kT broadening）， jet的能量損失所造成的末態強子譜的改變（jet quenching）。這些效應都已經在輕子一原子核以及原子核一原子核碰撞實驗中被觀測到。

測量這些效應以抽取核物質或熱媒介性質的唯象研究依賴於QCD因子化定理。而共線higher-twist展開技術正是處理介質中部分子多重散射的一種系統和自恰的方法。Luo，Qiu和Sterman（LQS）首先在協變規範下發展了一個推廣的因子化方法，用來計算eA深度非彈中觀ets的總橫動量不平衡效應。在這個框架下，他們證明了領頭核效應貢獻可以被因子化成一個部分子多重散射的硬部分卷積一個核尺寸依賴的twist-4兩部分子關聯矩陣元的形式。隨後，這個方法被用來處理部分子碎裂函式在介質中的核修正，Drell-Yan過程中輕子對角分布的核效應依賴、以及部分子多重散射造成的末態觀測粒子的橫動量拓寬效應。

高能反應強子化問題

強子化問題的研究與高能反應實驗的進展有著相輔相成密不可分的聯繫。高能反應通常被分為兩個大類:基本粒子對撞與重離子碰撞。這兩大類反應過程中所產生的部分子系統有著較大的不同，並組成了研究強子化機制必不可少的實驗平台。其中基本粒子對撞主要包括正負電子對湮滅、輕子一強子或強子一強子的單舉半單舉深度非彈性散射過程，而重離子碰撞則是核核的高能碰撞反應。

如圖所示，高能重離子碰撞過程可作如下描述:首先，兩個加速到近乎光速的原子核相向運動，由於兩核在其質心繫中運動速度近乎光速，在洛侖茲收縮作用下被收縮為兩個圓盤，此後兩核內的部分子近乎在同一時刻發生強烈碰撞並產生積聚巨大能量;此後，碰撞進入預平衡狀態，該平衡狀態的特點是產生大量的頻繁發生相互作用的處於局部熱平衡狀態的夸克膠子電漿(QGP)，此階段持續時間約為0.6fm/c以內;之後，夸克膠子電漿迅速膨脹降溫，當溫度降低至一臨界點時發生強子化，碰撞進入相變狀態部分子系統轉化為強子系統;最後，產生的各強子之間相互發生彈性或非彈性碰撞進而自由的飛出探測器。