高能核物理导论

粒子物理与原子核物理(高能理论物理、高能实验物理)研究生阶段修读课程。主要根据华中师范大学粒子物理研究所秦广友教授讲义(理论部分)和毛亚显副教授幻灯片(实验部分)。仅供参考交流学习之用。

高能核物理导论

• 2.experiment
  • cross section
    • for two, two
      • (ND)non diffraction(弥散)
      • (CD)central diffraction
      • (SD)single diffraction
      • (DD)double diffraction
  • 相对论重离子碰撞
  • jet quenching
    • 内容： 为了研究宇宙早期演化，在实验上通过极端高能重离子碰撞实验来进行， 中间过程形成高温致密媒介物质，这种媒介的条件类似于宇宙早期，喷注 （即这个过程得到的结果粒子）与媒介发生作用，而这个过程发生了显著的 能量损失，由此这个能量损失称之为喷注淬火(jet quenching)
  • luminosity
    • category
      • integration
      • discrete
        • （注意断句）
  • QGP(quantum gluon plasma) 又称火球(fireball)
    • hard vs soft
      • process
        • h-hard scattering, High-p_T parton(photon)翻译为硬过程
      • probes
        • h-high p_T
        • s-low p_T
        • reason-不能直接探测QGP，因而需要借助途径-探针这种方式来研究其性质
        • example-电弱探针(光子、W、Z)，起到控制变量的作用，与QGP不作用，可以起到确保其他探针是正确的作用
        • triplet: 三重 octet: 八重 October: 十月 decuplet: 十重
      • scattering
    • freeze-out
      • thermal
        • 自由程：分子两次连续碰撞之间的直线距离， 平均意味着多次求和取平均
      • connective
        • 发生能动量交换
    • function
      • 碎裂(fragmentation)函数 describe the probability that a parton(a particle is viewed as the constituent of hadrons) fragment into particular hadron with specific energy(momentum) of the parton
      • Bjorken函数
        • 背景： Bjorken model, estimate the energy density
        • 用途： initial energy density
      • BDMPS方程
        • 研究了QGP能量损失的量级/数值
        • 能量损失影响因素：
    • 横向参量
      • 动量
        • 低横动量： <2GeV/c, 使用非微扰QCD理论研究
        • 中横动量：2-8GeV/c
        • 高横动量：>8-10GeV/c
          • 粒子经过QGP后：
    • 核修正因子 (nuclear modificatin factor)
      • =1, no modification
      • !=1
        • >1, enhanced
        • <1, supressed压低效应
        • 解释的关键词：探针和QGP之间的能量转移
    • 大系统 vs 小系统
      • 大-Pb+Pb; Au+Au等 小-p+p; d(quark)+Au; He^(Left3)+Au
      • 1. 对于小系统，需要更多的实验去尝试，是前沿方向 2. 小系统在中横动量区域需要考虑Coalescence Model(一个考虑演化历史从而分析相关事件分布的模型，应用在生物学和社会学等)、精细化（碎裂函数等）和标度性
    • 与机器学习的结合
      • Science：
  • abbreviation
    • PID
      • particle identification 粒子鉴别
    • QFD OOP
      • quark flavour dynamics object oriented programming-C++宗旨
• 1. Basics: collsion kinematics
  • 基本研究方法
    • 碰撞
  • 基本研究参量
    • 快度
    • 赝快度
    • 碰撞中心度
• 2. Initial state geometry and fluctuations
  • Optical Glauber Model 将核子看作连续分布，最终得到的散射界面和真实物理图景相差较大
  • vs
    • 研究参量 重叠函数，其积分过后和粒子数目相关联
  • Monte-Carlo Glauber Model 使用的是离散分布，可以考虑粒子的涨落(fluctuation)信息，可以更加真实的反映物理图景
• 3. Kinetic theory and transport process
  • transport process
    • 研究对象特点： (1)dilute稀薄的 (2)弱相互作用的 (3)经典的，即德布罗意波长远小于由总体体积和粒子数决定的粒子间距
    • 德布罗意波长 vs 康普顿波长 vs 平均自由程
      • de: 非相对论情形下粒子作为波包下粒子大小的度量 com: 相对论情形下粒子大小的度量 mean: 粒子发生连续两次碰撞间的直线距离
    • 研究对象
      • 能量
        • 热传导(heat conductivity)
        • 描述参量：比热容
        • 描述内容：粒子之间由温度等参量决定的粒子之间传递了多少能量
      • 动量(viscosity, 粘滞性)
        • (3.26)
      • 粒子数转移(扩散, diffusion)
        • 扩散系数D
    • 落脚点
      • Boltzmann equation
        • 描述分布函数f的运动方程
        • 经典 vs 量子统计
          • cl: 不考虑量子效应 quantum: 考虑量子效应-玻色爱因斯坦分布增强因子和F-D分布压低因子(3.94)
        • 推导方法
          • 1. 粒子的动力学特征
          • 2. 从表征第一性原理的H出发，逻辑为 Liouville to BBGKY to Boltzmann
  • Boltzmann equation
  • collision term and cross section
  • from Liouville to BBGKY to Boltzmann
  • macroscopic quantities
  • conservation laws
    • When is conserved? all the time for the object is kinetic transport equation
    • what charge, energy and momentum conservation and related to collision term's properties
  • Boltzmann H-theorem
    • What? the equilibrium state is the state with the maximum entropy. Mindset: proof. Then gives the equilibrium distribution function.
• 4. Statistics and QCD thermodynamics
  • thermodynamics relation
    • connection: statistics physics' 3 ensembles
  • quantum statistics: density operator
    • designed for getting expectation value
    • origin: Hamiltonian equation and possibility sum to 1
    • density operator for equilibrium: diagonal density matrix proof: Liouville equation and commute relation
  • statistics of various ensembles
    • 3 key points: 1. the each density matrix 2. S can be computed from density matrix's trace function 3. canonical and grand-canonical ensemble need more calculations
  • thermodynamics of a non-interacting gas
    • non-interacting gas: thermal properties do NOT change with time, equivalent to no interaction
    • key point: get P, n, s, e
  • hadron resonance gas
    • concept: a model, describe low T hadron phase of QCD
    • curosity: degeneracy factor's physical explanation? For simplicity and generality.
    • limits kinds: 1.non-relativistic Boltzmann limit 2.ultra-relativistic limit 3.ultra-relativistic Boltzmann limit 4.ultra-relativistic limit: 0 chemical potential
  • quark-gluon gas: ultra-relativistic limit
    • the interaction among quarks and gluons CAN be neglected: 1. 0 chemical potential 2. non-zero chemical potential
    • density for conserved charge
      • When is conserved? there is no conserced condition, but for conservation: 3 flavours and only include baryon number and strangeness.
  • the bag model
    • for calculating Tc by introducing the bag constant B
• 5.relativistic fluid dynamics
  • from kinetic theory to fluid dynamics
    • key points: three length and dilute, dense, liquid gas regime
    • key points: Knudsen number K and ideal hydrodynamics, viscous fluid dynamics and breakdown hydrodynamics
  • ideal hydrodynamics
    • From Boltzmann equation's cross section infinity limit get ideal fluid conservation laws, then get entropy conservation. Local rest frame and lab frame for different flow velocity, describe current equation. e, p, n do NOT depend on space-time rapidity, get Bjorken hydrodynamics.
  • viscous hydrodynamics
    • Back to Boltzmann equationn, introducing non-equilibrium contribution to get equation and observables, Navier-Stokes and Israel-Steward hydrodynamics to find underlying(missing) equations.