相對論性重核碰撞和RHIC實驗湯兆崙a林宗泰b章文箴ca:國立中正大學物理系e-mail:jawluen@phy.ccu.edu.twb:國立中央大學物理系e-mail:t221312@ncu.edu.twc:中央研究院物理研究所e-mail:changwc@phys.sinica.edu.tw一、前言核子物理的發展由透過各種激發態、超形變態（super-deformedstate）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109eV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-RelativisticHeavyIonCollisions）的研究，藉以產生高能量及高密度強子物質態（hadronicmatter）。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（QCDPhasetransition），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,QuarkGluonPlasma）（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（confinementeffect）,在巨觀尺度上成為新的自由度（degreeoffreedom），另一伴隨的現象則為「破壞角度對稱恢復」(Restorationofchiralsymmetry)，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」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）。■774■物理雙月刊（廿四卷六期）2002年12月圖一：強作用力的相圖（Phasediagram）。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：（penetratingprobe）：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(hadronicandstrangenessprobe)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(finalstateInteraction)，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(chemicalpotential)。２．集體特性（CollectiveEffects）: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（equationofstate）。各種夸克膠子電漿態實驗量測特徵之提議整理於表二。■775■物理雙月刊（廿四卷六期）2002年12月圖二：夸克膠子電漿態（QGP,QuarkGluonPlasma）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。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—170MeV範圍，已在晶格量子色動力學（latticeQCD）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...
