自然界中四大基本作用力的强相互作用把夸克和胶子禁闭在强子中。能成功解释许多物理现象的量子色动力学(QCD)被人们认为是描述强相互作用的正确理论。强相互作用描述的核物质的相结构可以用二维QCD相图表示,纵坐标参数是温度(T),横坐标是重子化学势(μB)。由自由夸克和胶子自由度组成的夸克胶子等离子体(QGP)被人们认为存在于宇宙大爆炸以后几十微秒的能量密度和温度都极高的早期宇宙。格点QCD预言在高温低重子密度区域发生的从强子物质到夸克胶子等离子体的相变是平滑穿越,然而在高重子密度区域发生的相变是一阶相变。这个一阶相变边界有一个终点,这个终点是一个QCD二阶相变临界点,被简称为QCD临界点(QCD Critical Point),同时它也是穿越区的起点。尽管理论家和实验家做过许多努力去标定这个相变临界点的位置,但是它的位置甚至是存在性始终没有被确定。布鲁克海汶国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)通过加速重离子以及让它们每对核子以上限200 GeV的质心能量对撞,产生出高温高密的核物质。这给我们提供了理想的实验工具去研究QCD相结构和夸克胶子等离子体的性质.在进行了大约十多年研究之后,RHIC实验上发现了许多证明强耦合夸克胶子等离子已经实现的证据,比如：椭圆流(u2)的流体行为以及夸克数标度,数量级与轻强子椭圆流可比拟的多奇异强子椭圆流以及高横动量(PT)粒子产额压低-喷注淬火现象。最近,一系列研究发现高阶涨落-守恒量,例如重子数,电荷数和奇异数,分布的高阶矩(方差(σ2),偏度(S),峰度(κ))能够直接与相应的格点QCD和强子共振气体模型的热力学感受(Susceptibility)系数联系起来。理论计算表明实验可观测的净质子数(质子数减去反质子数)的涨落能够很好的反应出净重子数和净电荷数的涨落。这样使得从实验上探测高温高密核物质的整体性质以及检验QCD非微扰区域成为可能。同时,理论模型计算表明,净质子数分布的高阶矩正比于QCD临界点相关的关联长度(ξ)的高阶指数,比如三阶累积量<(δN)3>～ξ4.5和四阶累积量<(δN)4>-3<(δN)2>2～ξ7)。高阶矩观测量对关联长度的高灵敏度启发我们,可以通过将净质子数分布的高阶矩测量直接应用到核物质的QCD临界点的寻找。QCD临界点的实验确认能够大大的增进人们对有限温度下核物质性质以及QCD理论的理解和认识。因此在高能重离子对撞实验中开展净质子数分布的高阶矩测量对研究高温高密核物质的性质有着重大的科学意义。在这篇论文中,首次在高能重离子对撞实验中对净质子数分布的高阶矩进行了全面系统地测量。这项研究开创了通过重离子对撞实验来探测高温高密核物质的整体性质的全新领域和有效方法。并且首次将净质子数分布的高阶矩测量直接应用到核物质相变中QCD临界点的寻找,研究结果表明QCD临界点存在于重子化学势大于200 MeV区域,相应的研究成果已经发表在美国物理学会物理评论快报上,并获得了国际同行的高度认可。另一方面,通过将实验数据与第一性原理格点QCD计算结果比较,能够检验QCD理论在非微扰区域的性质以及给出QCD基本参数的限制。通过这种方法,在世界上首次直接从净质子数分布的高阶矩的实验测量中确定了QCD相图的标度,也就是在零重子化学势下对应的相变穿越温度Tc=175±1/7MeV,从实验数据提取得到的这个相变穿越温度与格点QCD理论计算得到温度符合得很好,相应研究成果已经接收发表在《科学》杂志上。在2010年(Run 10), RHIC已经启动了它的能量扫描计划,它将金金碰撞的能量从39 GeV降低到7.7 GeV,对应的重子化学势覆盖范围是112<μB<410MeV。这样使得我们能够访问和探测到QCD相图中比较宽广的区域。QCD临界点出现的特征信号是对碰撞能量的非单调依赖行为。如果QCD临界点真实存在于自然界中,那么在具有均匀大接受度以及好的粒子鉴别能力的RHIC中的STAR探测器上,将有很好的机会利用灵敏的探针在重离子对撞实验中发现QCD临界点。这篇论文中,在世界上首次对净质子数分布的各阶矩(M,σ2,s,κ)以及矩乘积(κσ2,Sσ)对能量以及系统大小的依赖进行系统地测量。这些碰撞系统包括金金碰撞,质心碰撞能量分别是(?)=200,130,62.4,39,19.6,11.5和7.7 GeV(包含能量扫描的3个能量点),铜铜碰撞,(?)=200,62.4和22.4 GeV,氘金碰撞,(?)=200 GeV,以及质子质子碰撞,(?)=200和62.4 GeV。为了保证质子和反质子的纯度和相似的探测效率,我们利用STAR探测器上的时间投影室(TPC)测量到的电离能损来鉴别横动量范围在0.4<PT<0.8 GeV/c以及中心快度区域(|y|<0.5)的质子和反质子。研究发现各阶矩(M,σ,s,κ)的碰撞中心度依赖符合中心极限定理(CLT)的预期结果(在多独立发射源假设下)。同时,体积无关的重子感受(Susceptibility)系数比可以和实验中的净质子数分布的高阶矩乘积联系起来(κσ2=XB(4)/XB(2)和Sσ=XB(3)/XB(2))。实验上观测到矩乘积κσ2没有显示出碰撞中心度依赖,然而Sσ有弱的碰撞中心度依赖性。在金金中心碰撞中,矩乘积的能量依赖显示,在高能量区(200,130和62.4 GeV)矩乘积κσ2和Sσ与格点QCD和强子共振气体模型的结果一致,然而在能量点39,19.6,11.5和7.7 GeV,它们偏离强子共振气体模型的预期结果。最近基于线性σ模型计算显示,当QCD临界点被从高能的平滑穿越区逼近的时候,矩乘积κσ2将会一直小于它的泊松统计的期望值1。对κσ2,格点QCD在19.6 GeV能量点计算得到的结果是负值,然而由于有限的事件量,实验结果具有较大的误差。幸运的是,这个不确定性可以很快被Run 11的19.6 GeV大统计量数据澄清。飞行时间探测器(TOF)被用来鉴别高横动量的质子与反质子,这样可以研究观测量的相空间依赖。高能重离子碰撞中系统的热化与否是一个长期被关注的问题,但是始终没有最终的结论。碰撞中产生物质的热化被认为是在高能重离子碰撞中形成夸克胶子等离子体的两个必要条件之一,另外一个是夸克的解禁闭。通过研究发现净质子数分布的矩乘积Sσ与用热力学巨正则系综描述碰撞系统时用到的热力学参数能够直接关联起来：Sσ＝tanh(μB/T),并且它对中心快度电荷密度(dNch/dη)和碰撞能量的依赖关系有指数形式的标度。这个标度接下来就可以预言热力学参数比μB/T也同样具有相似的标度性质,这个已经被从热模型拟合实验观测粒子产额得到的热力学参数所验证。重离子碰撞中粒子产额和涨落可以看作是一个硬币的两面。从热模型提取出来的热力学参数比μB/T与从涨落观测量Sσ提取出来的比互相吻合给重离子碰撞中产生出来的热密介质的热化假设提供了一个有力的证据。同时,实验结果与格点QCD理论计算结果的一致也为系统的热化提供了进一步的证据。论文详细描述了对高能重离子对撞实验中净质子数的数据处理和计算方法,特别是对净质子数分布的高阶矩的分析获得了三个最新研究结果。1.首次将其应用到高能重离子对撞实验中寻找QCD临界点,观察到金金碰撞中的高能量点200,130和62.4 GeV实验结果与格点QCD和热模型计算结果符合,但是在能量点39,19.6,11.5和7.7 GeV,实验结果偏离热模型的预期值。这个偏离可能与QCD手征相变和QCD临界点有关。同时,格点QCD在19.6 GeV能量点计算得到的κσ-2结果为负值,然而STAR/RHIC实验Run 2,19.6 GeV的实验结果由于统计量小而具有较大的误差。这个不确定性可以很快被Run 11的大统计量19.6 GeV数据澄清。2.首次将其应用到碰撞系统的热化问题研究上,得到的结果强有力的支持了高能量重离子对撞系统的热化假设。3.首次将实验分析得到的净质子分布高阶矩结果用于验证非微绕QCD理论,并通过对实验数据和格点QCD的比较确定了QCD相图的一个重要标度-在零重子化学势下的相变温度Tc。我们得出的结论是Tc=175±1/7MeV。这个穿越温度是强相互作用物质的一个重要基本参数。这个研究成果已经被杂志《科学》接收发表。高能重离子碰撞中净质子数分布的高阶矩测量为探测核物质整体性质开创了一个全新的研究领域以及提供了有效的研究方法。对高能重离子碰撞物理以及核物理研究有着重大的科学意义。