本论文主要研究相对论重离子碰撞实验中产生新的物质形态--夸克胶子等离子体--的实验信号。自上个世纪70年代以来，量子色动力学相变和夸克胶子等离子体一直是国际上粒子物理和核物理交叉领域中的研究热点。相对论重离子碰撞实验是在实验室中研究强相互作用相变和产生这种新的物质形态的唯一机会。而如何将实验中的可观测量和重离子碰撞早期物质的状态参数、特征联系起来是此领域里最为重要的研究方向。

本论文对SPS、RHIC以及LHC能量的相对论重离子碰撞中产生夸克胶子等离子体的如下实验信号进行了研究：椭圆流（v₂）、J/ψ粒子产生和D介子关联。

椭圆流是偏心重核碰撞中反映末态粒子出射方位角各向异性的集体流中的一种，它对碰撞中产生的纺锤形火球早期在入平面以及出平面的压强梯度的差值非常敏感。通过与描述火球演化的相对论流体力学模型的计算结果比较，RHIC得到椭圆流数据为我们提供了火球早期的状态方程、火球热化程度等重要信息。但对椭圆流数据的物理解释非常依赖于椭圆流的可靠测量。然而，由于在实验中无法准确的测量每个事例的反应平面，椭圆流的测量不是平庸的。实验上，人们一般使用两粒子关联方法、多粒子累积方法以及李-杨零点方法得到椭圆流。这些椭圆流测量方法可能会受到非流关联效应以及椭圆流的逐事例涨落影响而存在系统误差，而系统误差的大小仍然是实验上的基本问题。为了估计这些方法的系统误差，我们把这些椭圆流分析方法应用到强子输运模型UrQMD产生的质心系能量200GeV每核子的Au+Au碰撞模拟事例的椭圆流分析中，因为UrQMD模型包含了很多在真实数据中存在的非流关联效应以及椭圆流的逐事例涨落。我们发现，虽然UrQMD模型的v₂的绝对值仅为实验的60%，但是我们使用两粒子方法与累积方法得到的v₂{2}、v₂{4}和v₂{6}的相对关系与STAR实验数据定性符合很好。通过比较多粒子累积方法得到的v₂与理论值，我们发现在最中心碰撞和最周边碰撞v₂的逐事例涨落对累积方法影响很大；而在半中心碰撞（总截面的10-50%），涨落对多粒子累积方法的影响可以忽略。另外，我们发现两粒子关联方法受非流效应影响很大，尤其是在高p_T区间，但4粒子和6粒子累积方法在半中心碰撞中基本上不受非流效应的影响。关于李-杨零点方法，我们发现，在UrQMD模型中，仅在半中心碰撞区间（约5-40%）里此方法才能应用。在这些中心度区间里，李-杨零点方法得到的v₂与理论值符合很好。因此，在半中心碰撞中多粒子累积与李-杨零点方法得到的椭圆流与理论值的很好符合意味着这些方法对非流效应以及椭圆流涨落效应都不敏感，这些方法得到的集体流的系统误差可以忽略；而两粒子关联方法得到的椭圆流与真实值的较大偏差则说明此方法受非流效应的影响较大。

在椭圆流方面，我们还研究了两个互相独立的强子输运模型--RQMD和UrQMD--产生的RHIC最高能量Au+Au碰撞模拟数据中， π、K、核子、Λ、Ξ和Ω粒子的v₂的p_T依赖。因为这两个强子输运模型都没有考虑在火球初始热密阶段的部分子相互作用，所以两个强子-弦输运模型产生的v₂都仅为实验值的60%。然而，由于频繁的强子重散射，强子输运模型也能够产生实验数据中低p_T区域的v₂的按强子质量排序，也即多次强子重散射使得强子输运模型描述的强子气体也具有流体力学行为。在中等p_T区域，两个强子输运模型能够重新产生实验数据里的椭圆流的强子类型依赖（组分夸克数标度）。在强子模型里，这种标度的存在是由于大致按组分夸克数标度的强子散射截面（与可加夸克模型相一致）。RHIC实验中发现的椭圆流的组分夸克数标度最近被认为是独一无二的退禁闭信号。我们的强子输运模型计算无疑对这种观点提出了挑战。因此，下一步的更高精度的共振态强子（K^*，ρ，Δ，Λ^*和Ξ^*）的v₂测量对检验退禁闭+重组猜想来说将是必需的。

J/ψ粒子产额压低是较早提出的相对论重离子碰撞中产生QGP的信号之一。在SPS的质心系能量为每对核子17GeV的铅铅碰撞实验中发现的J/ψ产额的反常压低现象被认为是SPS重离子实验最重要的实验结果之一。理论上，阈值吸收模型和同行粒子吸收模型都能描述SPS的反常压低实验数据。我们使用考虑了逃逸效应的Boltzmann方程描述J/ψ的横向相空间分布函数的演化，分别计算了阈值吸收模型和同行粒子吸收模型里的R_i/1(p_T)，即高横能区间i和低横能区间1里J/ψ粒子p_T分布的比值。我们的动机是研究高横能条件下，即反常压低最明显的条件下，逃逸效应对高p_T J/ψ产额的影响。我们发现在此条件下，在两个模型里考虑逃逸效应会得到与数据更好的符合，尤其是逃逸效应对高p_T的J/ψ产额非常重要。这个结果表明反常压低发生在正常压低之后的平均3-4 fm/c时间区间里。就两个反常压低模型比较来说，同行粒子吸收模型可以更好地在所有横能区间符合实验数据。

然后我们提出了描述相对论重离子碰撞中J/ψ粒子产生的系统模型。我们用相对论流体力学来描述QGP介质的演化，用输运方程描述初始产生的J/ψ在QGP介质里的输运，认为J/ψ的反常压低是它们在QGP介质中的胶子离解过程导致的。利用此模型，我们在研究J/ψ产额的同时，还研究了在SPS的质心系能量每对核子17GeV的铅铅碰撞和RHIC的每对核子200 GeV的金金碰撞中J/ψ的p_T分布和椭圆流。我们得到的J/ψ产额和平均横动量平方的分布与SPS的实验数据符合较好，因此我们认为反映在输运方程中的逃逸效应和粲素离解截面的p_T依赖在解释SPS的p_T展宽实验数据时非常重要。我们也计算了J/ψ的v₂。在我们的模型里，粲素椭圆流的产生来源主要是逃逸效应，即沿着长轴运动的J/ψ被强烈压低，而沿短轴运动的J/ψ有更大的几率逃出压低区域。我们的模型预言的J/ψ的v₂非常小。而描述介质中重新产生J/ψ粒子的模型认为重新产生的J/ψ的椭圆流要大得多，尤其是假定粲夸克或者粲素与介质达到热化。因此我们认为，J/ψ的椭圆流可以作为有效的工具来鉴定重离子碰撞中粲素产生的机制：初始的pQCD产生还是后来在强子化时刻的协同产生，或者是两者的某种混合。

重味夸克（c和b夸克）是研究高能核碰撞中产生火球热化程度的绝好工具。它们主要在碰撞的初始过程中产生。由于重味夸克的质量很大，如果能够证明它们积极参与部分子重散射，也就可以间接证明轻的部分子之间的散射足够频繁，以至于使火球快速达到并且保持局域热化。我们提出用重味强子对的方位角关联来探测重味夸克与部分子散射的程度。首先，我们利用PYTHIA模型研究RHIC能量pp碰撞里的重味强子对角关联，发现重味强子对存在显著的背对背角关联。然后我们使用Langevin方程描述重味夸克在QGP介质中的随机行走，以研究QGP介质对重味强子角关联的影响，发现重味强子对背对背角关联的减弱程度对QGP介质的温度和重味夸克与部分子相互作用的强度很敏感。接下来，我们使用UrQMD模型估计强子重散射对重味强子对角关联的影响，发现强子相对此关联的影响可以忽略。这说明，探测重味强子对角关联的改变可以直接得到部分子重散射阶段的热化信息。最后，我们考察在LHC能量的重核碰撞中重味强子对角关联的可能变化。通过PYTHIA的模拟，我们发现在LHC能量的pp碰撞过程中已经没有明显的重味强子对角关联。但是在LHC，由于介质温度更高，粲夸克更容易且更快速地热化，介质的快速的横向膨胀推动几乎在同时同地产生的重味夸克对向同一个方向运动。结果我们在LHC将观测到显著的同向重味强子对角关联。因此，RHIC重离子碰撞中的重味强子对背对背关联的减弱和LHC的同向关联的产生将会显示重味夸克和轻部分子的相互作用的频繁程度，因此揭示RHIC和LHC产生的高温火球在早期的热化程度。