Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Пантуев Владислав Сергеевич

Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора

физико-математических наук

Москва 2008



Работа выполнена в Институте ядерных исследований Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Токарев Михаил Владимирович,

Доктор физико-математических наук Ставинский Алексей Валентинович,

Доктор физико-математических наук, профессор Недорезов Владимир Георгиевич

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Защита состоится « » _____________2009 г. в______час. на заседании Диссертационного совета Д 002.119.01 ИЯИ РАН. (117312, Москва, просп. 60-летия Октября, д. 7а)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН

Автореферат разослан « » _________________ 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Кандидат физико-математических наук Б.А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Построение квантовой хромодинамики (КХД) явилось поворотным пунктом в понимании природы сильного взаимодействия между элементарными частицами. Введение понятия кварков, нового квантового числа (цвета), существование хромодинамического поля (глюонные поля), формулировка принципиальных положений об асимптотической свободе на малых расстояниях и возникновение конфайнмента на больших расстояниях между кварками и глюонами получили полное научное признание и огромное число экспериментальных подтверждений. КХД стала фундаментальной теорией сильного взаимодействия. Вскоре на стыке нескольких областей физики - ядерной физики, физики элементарных частиц, квантовой хромодинамики и в некоторой степени астрофизики- стало развиваться новое направление: исследование КХД вещества при экстремальной температуре и плотности. Это направление привлекает все большее внимание экспериментаторов и теоретиков последние 30 лет.

Действительно, КХД расчеты, проводимые на решетке, указывают на возможность фазового перехода при большой плотности энергии и высокой температуре из обычной ядерной материи в фазу конституентных кварков и глюонов в большом объёме взаимодействующих посредством обмена цветными зарядами. Предсказуемый интервал температуры для такого перехода находится в диапезоне 160-180 МэВ, а плотность энергии должна превышать 1 ГэВ/Фм3. Существуют так же полуфеноменологические оценки условий существования такого фазового перехода. Имеются предположения, что состояние материи из кварков и глюонов могло существовать в начальной стадии Большого Взрыва при образовании нашей Вселенной, когда вещество было горячим и плотным.

Исследование свойств и динамики КХД вещества при экстремальных условиях затрагивает многие фундаментальные проблемы физики, такие как: природа конфайнмента и восстановление киральной симметрии, космология ранней вселенной, астрофизика компактных объектов. Помимо этого в ходе осмысления получаемых экспериментальных данных стал развиваться новый математический подход для расчетов сильного взаимодействия в рамках непертубативной КХД с большой константой связи. Этот подход основан на использовании дуальности между теорией калибровочных полей и суперструнными моделями (AdS/CFT duality).

С середины 70-х годов 20-го столетия начинается интенсивное экспериментальное и теоретическое исследование возможности образования вещества из слабо связанных кварков и глюонов в лабораторных условиях. Основным инструментом экспериментальных исследований стали ускоренные пучки тяжёлых ядер и их столкновения с ядерными мишенями.

Важным этапом в физике ядер при релятивистских энергиях был запуск в 2000 году ускорителя на встречных пучках, Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, в Брукхевенской Национальной Лаборатории США. Он был разработан и построен преимущественно под программу изучения столкновений ядер с массой вплоть до золота и энергией 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов.

Одним из наиболее важных результатов с RHIC явилось обнаружение подавления струй адронов в веществе, образованном при столкновении ядер. Было показано, что такое поглощение отсутствует в обычной ядерной материи и не является эффектом начального состояния. Этот и другие наблюдаемые эффекты (наличие большой азимутальной ассиметрии рожденных частиц, наблюдение скейлинга эллиптического потока по числу конституентных кварков, сильное подавление при больших поперечных импульсах частиц с тяжелыми кварками и другие явлениия) по-прежнему бурно обсуждаются в свете скорого запуска Большого Адронного Коллайдера в CERN.

Данная работа посвящена изучению одного из указанных явлений: обнаружению эффекта подавления заряженных адронов с большими поперечными импульсами.

Цель и методы исследования.

Основными задачами данной работы являются:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для исследования свойств вещества, образованного при столкновении релятивистских ядер с энергией vsNN=200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов на ускорительном комплексе RHIC в БНЛ, США.

2. Исследование процессов рождения заряженных адронов с большими поперечными импульсами втлоть до 10 ГэВ/с в условиях образования ядерной среды с большой плотностью энергии и температуры для комбинаций сталкивающихся ядер Au+Au в зависимости от центральности. Определение свойств образующейся материи.

3. Проведение базисных (нормировочных) измерений выходов заряженных адронов для системы d+Au в условиях обычной ядерной плотности и для протон-протонных соударений при той же энергии пучка в идентичных условиях проведения эксперимента.

4. Сопоставление экспериментальных данных по заряженным адронам с результатами аналогичных измерений для идентифицированных адронов, где это возможно с целью получения дополнительной информации о свойствах образующейся среды.

Ускорительный комплекс RHIC был создан в первую очередь для исследования столкновений релятивистских ядер с энергией vsNN=200 ГэВ. До начала работы Большого Адронного Коллайдера, LHC, в CERN, RHIC является уникальным инструментом для исследования ядро-ядерных соударений при максимально достижимой на настоящий момент энергии. Возможность ускорения пучков протонов и дейтронов позволяет с минимальными систематическими ошибками сопоставить экспериментальные результаты для соударений нуклон-нуклон и ядро-ядро.

Установка PHENIX является одной из четырех установок, созданных на встречных пучках RHIC. PHENIX состоит из центрального спектрометра и двух мюонных спектрометров. В данной работе используется центральный спектрометр, который был разработан и создан для исследования рождения частиц в центральной области быстрот. Его основными элементами являются: магнит с аксиально симметричным полем в направлении сталкивающихся пучков, трековая система заряженных частиц, электромагнитный калориметр на основе комбинации свинцовых пластин и сцинтилляторов, калориметр из свинцового стекла, газовый детектор излучения Вавилова-Черенкова, время-пролетной системы и комплекса детекторов для определения общих и глобальных параметров столкновения.

Уникальными особенностями данного спектрометра являются: а) надежная идентификация треков заряженных частиц в условиях большой множественности частиц в центральных столкновениях; б) отсутствие вещества в центральной части спектрометра для избежания многократного рассеяния и нежелательных вторичных взаимодействий; в) высокоточное определение центральности столкновения двух ядер по детекторам множественности, расположенных под большими быстротами; г) возможность проведения мечения взаимодействующего нуклона из ядра дейтрона при измерении комбинации d+Au; д) возможность комплексного исследования реакций посредством одновременного измерения разных типов частиц в идентичных экспериментальных условиях.

Созданная установка позволила устранить или корректно учесть все возможные фоны при изучении процессов рождения заряженных адронов при поперечных импульсах (pT) до 10 ГэВ/с. Посредством детекторов множественности и калориметров нейтронов спектаторов удалось разделить события по центральности взаимодействия и величине прицельного параметра столкновений ядер золота по золоту.

Проведены измерения в столкновениях p+p и d+Au при той же энергии в системе центра масс как и для Au+Au соударений. Данные по измерению столкновений малонуклонных систем явились отправной базой для сопоставления с результатами для комбинации Au+Au. Использование передних калориметров под нулевыми углами для реакции d+Au обеспечили уникальную возможность сопоставления реакций нейтрон-ядро и протон-ядро при энергии vsNN=200 ГэВ.

Экспериментальные данные по выходам заряженных адронов были сравнены с результатами измерений для нейтральных мезонов и прямых фотонов. Были получены дополнительные экспериментальные подтверждения наличия эффектов подавления выходов адронов с большими поперечными импульсами и справедливости бинарного скейлинга для жестких процессов.

Научная новизна работы

Работа автора по созданию и эксплуатации установки и проведение обработки экспериментальных данных позволила впервые обнаружить эффект подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в столкновениях Au+Au при релятивистских энергиях. В дополнение к другим данным по подавлению выходов нейтральных пионов и идентифицированных адронов в той же реакции данный эффект подавления является одним из самых значимых результатов, полученных на RHIC. Этот результат служит прямым указанием на образование в ядро-ядерных соударениях вещества, существенно отличающегося от обычной ядерной материи. Зона взаимодействия двух релятивистких ядер служит сильным поглотителем быстрых партонов, приводя к фактору подавления порядка пятерки.

Выполнены новые измерения сечений рождениях заряженных адронов в зависимости от центральности Au+Au соударений и получена зависимость фактора подавления быстрых партонов от числа нуклонов участников. Решающим фактором, позволившим провести измерения спектров адронов с верхней границей по поперечному импульсу до 10 ГэВ/с, явилось изучение источников фонов, а так же разработка методов их подавления.

На основании изучения формы спектров получено указание, что для всех центральностей при больших импульсах рождение адронов происходит посредством жестких партон-партонных столкновений.

Впервые выполнены измерения реакций p+p и d+Au при энергии vsNN=200 ГэВ. Показано, что спектры энергичных заряженных адронов в p+p столкновениях хорошо описываются в рамках пертубативной КХД. Это служит надежным указанием на правильность используемых предположений при описании жестких процессов.

Отсутствие подавления выходов адронов в системе d+Au, где образование плотной и горячей ядерной материи не ожидается, явилось поворотным моментом в интерпретации данных по Au+Au. Результаты, полученные для системы d+Au, подтвердили, что наблюдаемое подавление в столкновениях золото по золоту не является эффектом начального состояния взаимодействующих нуклонов ядер.

Впервые изучен эффект усиления выходов адронов (так называемый эффект Кронина) в нуклон-ядерных и дейтрон-ядерных столкновениях при энергии vsNN=200 ГэВ . Оказалось, что вопреки ожиданиям эффект не исчезает с увеличением энергии пучка. Впервые исследовано поведение амплитуды эффекта от среднего числа последовательных нуклон-нуклонных соударений, испытываемых нуклоном дейтерия. Было получено, что амплитуда эффекта Кронина не увеличивается линейно с а быстро насыщается за одно-два дополнительных столкновения нуклона.

Впервые с использованием метода мечения протона спектатора из ядра дейтерия в d+Au столкновениях измерена реакция n+Au с участием нейтрона при энергии 200 ГэВ. Отсутствие пучков нейтронов таких энергий делает эти измерения уникальными. Оказалось, что процессы рождения частиц в p+Au и n+Au в центральной области быстрот в пределах экспериментальных ошибок идентичны при высоких энергиях, различия в зарядах или изоспине не проявляются. Полученный результат был ожидаем, однако его экспериментальное измерение является важным фактом для подтверждения правильности описания соударений с участием ионов золота, в ядре которого число нейтронов в полтора раза больше числа протонов.

Сформулирован новый подход к описанию величины эффекта подавления быстрых партонов. Многие экспериментальные данные объяснены в предположении наличия конечного слоя ядерного вещества, который не поглощает быстрые партоны.

Этот слой образует прозрачную корону в начальный момент взаимодействия. На периферии зоны соударений толщина слоя должна быть порядка 2-3 Фм. На уровне гипотезы предлагается физическая интерпретация этого слоя, как возможное проявление конечного времени формирования среды. Ближе к центру зоны взаимодействия это время, скорее всего, гораздо меньше, однако сейчас трудно дать его численную оценку. В предлагаемом подходе удается успешно описать зависимость подавления выходов адронов от числа нуклонов участников, от ориентации рожденной частицы относительно плоскости реакции. Наличие существенной азимутальной ассиметрии в рождении частиц с большими импульсами объясняется геометрией столкновения ядер.

Даны численные оценки другим наблюдаемым эффектам.

Научная и практическая ценность работы.

Обнаружение эффекта подавления адронов с большими поперечными импульсами в ядро-ядерных столкновениях и отсутствие такого подавления в p+p и d+Au соударениях указывают на возникновение ядерной среды со свойствами существенно отличающимися от свойств обычной ядерной материи.

Результаты других измерений, где наблюдается наличие большого эллиптического и радиального потока в спектрах частиц, подавление тяжелых кварков с очарованием и многие другие результаты указывают на наличие сильного взаимодействия между конституентами возникающей среды.

Результаты явились надежным критерием в оценке существующих теоретических моделей.

Полученные результаты стимулировали развитие новых теоретических направлений по описанию свойств ядерного вещества с большой плотностью энергии и высокой температуры. Помимо существовавших ранее расчетов в рамках пертубативной квантовой хромодинамики и вычислениях на решетке результаты с RHIC о наблюдении подавления быстрых партонов послужили толчком к возникновению новых методов описания сильно взаимодействующей КХД-среды в рамках дуальности между моделями суперструн в пятимерном пространстве анти-ДеСиттера и теорией конфомных полей (AdS/CFT duality).

Важную практическую ценность полученные результаты представляют для проведения предварительных оценок в рождении адронов, интенсивности и загрузок детекторов для нового комплекса Большого Адронного Коллайдера (LHC) в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN).

Вклад автора диссертации.

В физических результатах по исследованию выходов заряженных адронов при больших поперечных импульсах, в работах, которые были опубликованы по теме диссертации, вклад автора является определяющим.

Автор внес решающий вклад в разработку и изготовление высоковольтной системы, системы охлаждения электроники и помехоустойчивому выводу сигналов для дрейфовых камер цетрального спектрометра PHENIX. Будучи на протяжении семи лет ответственным экспертом по эксплуатации дрейфовых камер во время проведения физических измерений, членом Координационного Совета по Детекторам эксперимента PHENIX, автор внес существенный вклад в обеспечение успешной работы трековой системы установки.

Автор внес существенный вклад в разработку регистрирующей электроники.

Вклад автора является определяющим в исследовании и оценке влияния фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах в реакциях Au+Au, d+Au и p+p.

Автор внес существенный вклад в исследование систематических ошибок в измерениях спектров для Au+Au и d+Au столкновений.

Вклад автора был определяющим в анализе экспериментальных данных с использованием мечения нуклонов в реакции d+Au.

Формулировка гипотезы о возможном существенном влиянии конечного времени формирования ядерной среды в Au+Au столкновениях и описание экспериментальных данных в рамках предложенного подхода сделаны исключительно автором.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработана и создана аппаратная инфраструктура дрейфовых камер для центрального спектрометра установки: схема и метод вывода 12 тысяч сигналов из герметичного объема камер, высоковольтная система, системы охлаждения и магнитной защиты электроники. Центральный спектрометр установки PHENIX позволил проводить трекинг заряженных частиц и измерение импульса в условиях большой множественности, до 700 треков на одно плечо спектрометра в центральной области быстрот з=+/-0,35. Технической особенностью спектрометра является надежная помехоустойчивая работа детекторов и электроники в условиях сильной компактности расположения составных частей.

2. Измерены выходы заряженных адронов с поперечным импульсом до 10 ГэВ/с в реакциях Au+Au, d+Au и p+p. Характерной особенностью измерений явилось успешное преодоление проблемы фонов при больших импульсах. Основными источниками фонов в условиях эксперимента оказались распады каонов и конверсия фотонов на веществе. Разработаны методы их оценки и способы вычитания.

3. Обнаружен эффект подавления заряженных адронов с большими поперечными импульсами в центральных Au+Au столкновениях при энергии vsNN=200 ГэВ и 130 ГэВ. Был введен ядерный модификационный фактор RAA на освании которого получен фактор подавления порядка пяти в самых центральных соударениях (RAA~0,2). Этот результат наряду с измерениями идентифицированных частиц является одним из наиболее значимых подтверждений об образовании плотного ядерного вещества со свойствами отличными от свойств ядерной материи в обычных ядрах.

4. Измерены спектры заряженных адронов в p+p столкновениях, которые показали, что спектры описываются теоретическими расчетами в пертубативной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в общем понимании процессов рождения частиц с большими поперечными импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях.

5. Дано сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами. На основании этого получены оценки на плотность глюонов (dNg/dз =1000) в центральной области быстрот и степень потери энергии быстрым партоном в образованной среде (до dE/dx~14 ГэВ/Фм). Отмечено расхождение в теоретических подходах.

6. Измерены выходы заряженных адронов в d+Au столкновениях. На основании этих измерений было подтверждено, что эффект подавления в центральных Au+Au не является эффектом начального состояния, а связан со взаимодействием в образованной плотной среде.

7. Измерены реакции p+Au и n+Au с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при энергии vsNN=200 ГэВ является уникальным.

8. Предложена гипотеза о конечном времени формирования среды. Сущетвенное подавление быстрых партонов происходит с запаздыванием, которое на периферии области взаимодействия ядер составляет порядка 2-3 Фм/с. В рамках модели описаны многие наблюдаемые параметры для описания рождения частиц с большими поперечными импульсами: поведение фактора RAA, параметр азимутальной ассиметрии v2, фактор подавление противоположной по азимуту струи IAA.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались автором на многих международрых и отечественных конференциях, совещаниях и семинарах: Международные конференции Quark Matter, Шанхай, 2006; 40-th Recontres de Moriond, QCD and high energy hadronic interactions, Италия 2005; The 22nd Winter Workshop on Nuclear Dynamics, La Jolla, California, USA, 2006; Международное рабочее совещание по Релятивистской Ядерной Физике, Варна, 2001, Рабочее совещание Relativistic Nuclear Physics, Киев, 2007, Ежегодное совещание Отделения Физики РАН, ИТЭФ, 2007 и др.

Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 15 работ, включая 10 статей в рецензируемых журналах.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения (Глава 1), шести глав и Заключения (Глава 8). Объем диссертации составляет 153 страницы, включая 114 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает в себя 113 наименований.

нуклон ядро измерение

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении (Глава 1) раскрывается актуальность научной проблемы, изучению которой посвящена настоящая работа. Изложены цель и методы исследования, научная новизна и практическая ценность работы, представлены положения, выносимые на защиту, вклад автора, а также кратко описана структура диссертации и апробация работы.

В Главе 2 дана постановка физической проблемы исследуемой в данной работе. Дается краткий обзор по возникновению и развитию физики ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях.

60-70 годы 20-го столетия ознаменовались построением фундаментальной теории сильного взаимодействия элементарных частиц - квантовой хромодинамики, КХД. Основополагающую роль в этом сыграли теоретические работы, как в Советском Союзе, так и за рубежом. Предположение о наличии кварков и глюонов с дополнительным квантовым числом, которое получило термин цвет, явилось поворотным моментом для возникновения КХД. На протяжении 40 лет КХД получило огромное число экспериментальных подтверждений. В 1968 году в реакциях рассеяния электронов на нуклонах было обнаружено наличие точечных объектов партонов, составляющих нуклоны. Предположение в 1973 году об асимптотической свободе кварков и глюонов, то есть об очень слабом их взаимодействии при больших энергиях, явилось простым объяснением наличия партонов в электрон-нуклонном рассеянии. Наблюдаемые партоны следует отождествить с кварками и глюонами. Было показано, что бегущая константа связи сильного взаимодействия уменьшается с увеличением переданного импульса (уменьшением расстояния между взаимодествующими партонами) между кварками и/или глюонами.

Одним из важных экспериментальных подтверждений о наличии кварков послужило обнаружение закономерностей в глубоко неупругом рассеянии с участием адронов. На основании принципа автомодельности и привлечения модели квази-свободных кварков было сформулировано правило кваркового счета. При рассеянии адронов a+b->c+d с большими переданными импульсами на разные углы и при разной энергии, s, в соответствии с экспериментом должно наблюдаться степенное падение спектров со степенью равной сумме конституентных кварков адронов, n=na+nb+nc+nd. Экспериментальное наблюдение кваркового счета явилось реальным подтверждением наличия физического смысла цветных объектов, кварков.

Конфайнмент кварков является другой стороной асимптотической свободы кварков и глюонов. Отсутствие свободных кварков, их удержание внутри нуклона на расстоянии порядка 1 Ферми могут быть объяснены антиэкранированием. В процессе увеличения расстояния между кварками глюоны начинают рождать новые глюоны из вакуума, которые только усиливают взаимодействие. Расчет конфайнмента затруднен, поскольку взаимодействие становится сильным и не может быть описано в рамках пертубативной КХД. Однако численное моделирование КХД на решетке подтверждает наличие конфайнмента.

Возможность существования кварков и глюонов в большом объеме в фазе деконфайнмента было предположено в 1975 году для объяснения стабильности нейтронных звезд. В это же время делается предположение, что подобная фаза может существовать в начальной стадии Большого Взрыва при образовании нашей Вселенной, когда вещество было горячим и плотным. Фактически с этого времени начинается история интенсивного экспериментального и теоретического исследования возможности образования вещества из слабо связанных кварков и глюонов в лабораторных условиях.

Столкновения двух ядер с релятивистской энергией является основным экспериментальным способом достижения большой плотности энергии и температуры. Был введен термин кварк-глюонная плазма (КГП) для описания состояния ядерного вещества в фазе деконфайнмента из кварков и глюонов. На рис.1 схематически показаны границы различных форм КХД вещества в переменных температуры и барионного химического потенциала.

Систематическое исследование ядро-ядерных столкновений на пучках релятивистских ионов было начато более 30 лет назад. Существенным продвижением в физике ядер при релятивистских энергиях был запуск в 2000 году ускорителя на встречных пучках, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) в БНЛ. Он был разработан и построен преимущественно под программу столкновения ядер вплоть до золота с энергией 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов.

Рис. 1 - Теоретическая фазовая диаграмма КХД вещества для безмассовых кварков как функция температуры T и барионного химического потенциала ?. Линиями отмечены три фазы: адронный газ, кварк-глюонная плазма и цветная сверхпроводимость

В нуклон-нуклонных столкновениях при энергии RHIC неупругое сечение N-N составляет около 80% от полного сечения. В одном соударении Au+Au происходит множество неупругих N-N взаимодействий в течение очень короткого времени за счет лоренцевского сжатия. Область взаимодействия так же сжата в лабораторной системе. Последующие взаимодействия рожденных частиц за счет взаимного рассеяния перераспределяют энергию в область центральных быстрот. Образующаяся система частиц существует в лабораторной системе на время соизмеримое с размерами ядер, то есть порядка 5-10 Фм/с. Плотность энергии частиц в центральной области быстрот может быть оценена по формуле Бьёркена:

ET/(0r2A2/3)*dN/dy (1)

где ЕТ есть средняя поперечная энергия частицы, 1 Фм/с есть типичное время формирования частиц, r=1,18 Фм равняется радиусу нуклона, dN/dy есть множественность частиц на единицу быстроты в центральной области. При энергии RHIC с использованных экспериментально измеренной множественности частиц и их средней энергии на PHENIX была получена оценка ~5 ГэВ/Фм3.

При энергии RHIC в p+p столкновениях жесткое рассеяние (процессы с большой передачей импульса) является доминирующим процессом при рождении частиц с поперечным импульсом pT>2 ГэВ/с. Жесткие процессы в нуклон-нуклонных столкновениях могут быть рассчитаны в пертубативной КХД (пКХД) с привлечением теоремы факторизации: сечение записывается через произведение независимых вероятностей распределения партонов в нуклоне, их сечения взаимодействия и последующую фрагментацию партона в адроны. Это приближение хорошо описывает экспериментальные данные р+р, рис. 2.

Рис. 2 - Инвариантные сечения для в центральной области быстрот в p+p столкновениях при энергии 200 ГэВ (точки) совместно с расчетами по пКХД(сплошная и пунктирная кривые), а). б) Относительная статистическая (точки) и систематическая ошибка измерений (заштрихованная область). с) Относительная разность между экспериментальными данными и расчетами для двух параметризаций функции фрагментации партонов, FF

Данная работа посвящена исследованию жестких процессов, а именно рождению частиц с большими поперечными импульсами. В столкновениях ядер при энергии RHIC область взаимодействия перекрывает пространственный объем в несколько сотен кубических Ферми с плотностью энергии, достигающей несколько ГэВ/Фм3. Свойства образующегося вещества будут проявляться в спектрах экспериментально наблюдаемых частиц. В частности, потеря энергии быстрыми партонами в цветной среде должна приводить к подавлению их спектров при больших импульсах. Однако быстрые партоны не могут быть непосредственно наблюдаемы. При высоких энергиях партоны фрагментируют в адроны в узком угловом конусе относительно первичного партона. Возникает струя адронов, сфокусированная вокруг лидирующего адрона. Из-за большой множественности частиц в ядро-ядерных столкновениях образующиеся струи адронов не могут быть однозначно выделены. Поскольку адроны с pT>2 ГэВ/с являются преимущественно лидирующими частицами от фрагментации партонов, измерение спектров частиц при больших pT является надежным способом исследования рождения струй.

Для численного определения эффектов среды на рождение энергичных частиц используют ядерный модификационный фактор RAA, который является оценкой выхода измеренных частиц в A+A столкновениях по сравнению с ожидаемым выходом, опираясь на бинарный скейлинг и результаты в p+p столкновениях.

RAA=(выход в А+А)/[(выход в р+р)*Nbinary], (3)

где Nbinary есть среднее число независимых нуклон-нуклонных соударений в конкретном А+А столкновении. В силу малости сечения жестких процессов такое предположение является верным. При отсутствии эффектов начального или конечного состояния в A+А соударениях RAA должно равняться единице. Отличие RAA от единицы будет указывать на наличие дополнительных эффектов.

Последующие главы посвящены детальному и всестороннему изучению эффектов влияния среды на рождение заряженных адронов (без идентификации их по типу или массе) при больших поперечных импульсах.

В Главе 3 дано краткое описание установки PHENIX и трекинга заряженных частиц в центральном спектрометре. Эксперимент PHENIX, the Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment, является одним из четырех детекторов, построенных на ускорительном комплеске RHIC. Физическая задача PHENIX заключается в эксперементальном исследовании сильных взаимодействий при большой плотности и температуры в столкновениях тяжелых ядер, в результате которых предполагается образование нового состояния ядерного вещества: кварк-глюонной плазмы, КГП. За годы работы на установке было исследовано несколько сталкивающихся систем: Au+Au, d+Au, p+p при значениях энергии 200 ГэВ и 130 ГэВ.

PHENIX содержит несколько основных частей: центральный спектрометр, состоящий из двух плечей, два мюонных спектрометра, раcположенных под углами вперед по направлению сталкивающихся пучков и набор детекторов для определения общих характеристик столкновения, Рис. 3.

Рис. 3 - Схема расположения основных спектрометров PHENIX. На верхней панели показаны два плеча центрального спектрометра. Ядра сталкиваются в центре, направление ускоренных пучков ориентировано перпендикулярно плоскости рисунка. Для трекинга заряженных частиц используются дрейфовые камеры (DC) и падовые камеры (PC1, PC2, PC3). На нижней панели показаны мюонные спектрометры (вид сбоку), направление пучков идет слева направо и наоборот

В настоящей работе использовались результаты измерений, полученные в центральном спектрометре. Центральный спектрометр является магнитным спектрометром и обеспечивает аксиальное поле относительно точки столкновения, ориентированное параллельно направлению пучков. Каждое плечо центрального спектрометра имеет захват по 90 градусов в азимутальном направлении и ±0,35 вдоль направления пучков. Спектрометр состоит из трековой системы для регистрации заряженных частиц и электромагнитного калориметра. Калориметры на основе свинцово-сцинтилляционных модулей (PbSc) и свинцового стекла (PbGl) регистрируют фотоны и энергичные электроны.

Трековая система центрального спектрометра состоит из набора проволочных камер. Дрейфовые камеры (DC) имеют высокую координатную точность и обеспечивают импульсное разрешение. Пропорциональные падовые камеры (PC1, PC2, PC3) определяют 3-х координатное положение трека, используются в алгоритме поиска трека и обеспечивают возможность подавление случайных фонов.

Анализ заряженных частиц по импульсу осуществляется по углу отклонения трека магнитным полем в азимутальной плоскости. Величина отклонения трека от направления по радиусу в месте расположения дрейфовых камер служит определителем поперечного импульса частицы.

В каждом из плеч центрального спетрометра расположены газовые детекторы черенковского излучения (Ring Imaging CHerenkov detectors, RICH). Они идентифицируют электроны. RICH регистрирует заряженные пионы с импульсом выше 4,8 ГэВ/с. В восточном плече спектрометра расположены время-пролетная система (TOF) для идентификации массы частиц по времени пролета, а так же проволочные камеры переходного излучения (TEC, в данном анализе они не использовались). TOF имеет внутреннее временное разрешение порядка 85 пикосекунд и позволяет отделять каоны от пионов до 2,5 ГэВ/с и протоны до 4,5 ГэВ/с.

Детекторы для измерения общих или глобальных характеристик столкновения состоят из калориметров под нулевым углом (Zero Degree Calorimeter, ZDC), детекторов пучка (Beam-Beam Counters, BBC) и передних калориметров для регистрации протонов-фрагментов из провзаимодействовавших ядер (Forward CALorimeter, FCAL). По ним определяется центральность столкновения и на основании их сигналов вырабатываются триггеры событий. Относительное положение глобальных детекторов показано на Рис. 4. FCAL применялся только для анализа данных в d+Au столкновениях.

Трековые детекторы центрального спектрометра. А Основным детектором для нахождения трека и определения его импульса являются две дрейфовые камеры, расположенные в Восточном и Западном плече спектрометра. Дрейфовые камеры являются проволочными камерами с особым режимом фокусировки. Камеры содержат малое количество вещества для минимизации многократного рассеяния и обеспечивают надежную регистрацию треков в самых центральных Au+Au столкновениях при множественности рождения заряженных частиц до dN/dy=700. Помимо этого DC имеют пространственное разрешение не хуже 150~мкм, возможность выделения двух треков на расстоянии не более 1,5~мм. Электроника регистрации обеспечивает поддержание считывания до пяти последовательных триггеров событий.



Рис. 4 - Схема расположения глобальных детекторов PHENIX, вид сверху. Приведен случай столкновения пучков дейтерия (d) и золота (Au). По вертикали масштаб рисунка условный. На вставке показаны направления пучков, положение ZDC и FCAL и фрагментов-спектаторов пучка дейтерия (нейтронов и протонов) в разрезе А-А

Каждая из DC представляет собой цилиндрическую арку изготовленную из титана с внутренним радиусом 2 м, наружным радиусом 2,4 м и азимутальным углом захвата 90о, Рис. 5.

Рис. 5 - Внешняя конструкция арки дрейфовой камеры



Чувствительная область камеры в направлении Z вдоль пучка примерно 1,8 м при полном размере 2,5 м. Разработка конструкции камеры, изготовление арок и внутренних проволочных модулей осуществлялась в Петербургском Институте Ядерной Физики, Гатчина. Электроника считывания и внешняя инфраструктура камер (высоковольтная система, коммутация между внутренними проволочками и внешней регистрирующей электроникой, система охлаждения и др.) разрабатывались в Университете в Стони Брук.

Каждая арка разбита по азимутальному углу ? на 20 секторов по 4,5o каждый. Боковые части арки разделены на сектора ребрами жесткости. Камера собирается из независимых модулей установленных последовательно в каждом секторе вдоль радиуса: X1, U1, V1, X2, U2, V2. Расположение модулей в секторе показано на Рис. 6.

Рис. 6 - Расположение модулей и проволочных плоскостей в одном секторе дрейфовой камеры. Отдельно на вставке показана конфигурация чередования проволок-электродов в анодной (она же сигнальная) плоскости. Справа показан вид на проволочки сверху арки вдоль радиуса. Условно отмечено направление проволок в модулях типа X и в стерео модулях UV



Каждый модуль содержит чередующиеся по ? 4 анодные и 4 катодные плоскости. Они обеспечивают промежутки дрейфа в 2-2,5 см в ? направнении. В X-модуле по радиусу расположено 12 слоев сигнальных проволок. Каждый U и V модуль содержит по 4 сигнальных плоскости, расположенных по радиусу. В результате мы имеем в анодной плоскости совокупность из 12+4+4+12+4+4=40 чуствительных проволок по радиусу арки. Полное число каналов для двух камер равно 12800.

Электроника считывания с дрейфовых камер разрабатывалась группой из американской Национальной Лаборатории в Ливерморе совметно с группой Университета в Стони Брук. Электроника считывания состоит из трех основных частей: усилителей с формирователями сигналов, время-цифровых преобразователей с буферизацией информации и системы организации считывания. Электроника находится непосредственно на камере и размещается в 20 секторах с каждой стороны камер. Считывание информации в каждом секторе происходит по оптоволокну.

Одной из сложных технических задач была проблема выделенного электроникой тепла, которое составляет примерно 1,5 киловатт на каждую сторону считывания камеры. Было отдано предпочтение варианту водяного охлаждения с использованием технологии тепловых трубок.

Следующей задачей при разработке считывающей электроники было обеспечение ее помехоустойчивости от высокочастотных генераций и возможных шумовых наводок на проволоки и предусилители. Из-за компактности детекторов и электроники в центральном спектрометре вопрос стабильности электроники являлся черезвычайно важным. Проблема устойчивости системы считывания с DC решалась сразу несколькими способами. Во-первых, все платы электроники являются 9- или 10-слойными с максимальным внутренним экранированием высокочастотных линий. Во-вторых, решающим фактором является способ вывода сигналов из камеры и их соединение с усилителями. Это в свою очередь неразрывно всязано с системой подачи высоковольтных напряжений и их фильтрации. Комплексный подход к разработке высовольтной системы и методу вывода сигналов из объема камеры позволил добиться надежной помехоустойчивой работы дрейфовых камер.

Падовые камеры (PC1, PC2, PC3) использовались при поиске треков и для отсечения фоновых частиц. Они являются многопроволочными пропорциональными камерами. Каждый детектор состоит из проволочной анодной плоскости, которая расположена в газовом объеме между двумя твердыми катодными плоскостями. Одна из катодных плоскостей сегментирована в виде падов или пикселей. Заряд, наведенный на пады катода в результате газового усиления на аноде, считывается электроникой и дает 2-мерную координату трека. РС1 имеют разрешение 1,7 мм по z-координате и около 3 мм для межанодного направления. В РС2 и РС3 разрешение вдвое хуже. Каждые тип камер разбит по азимутальному углу на 8 независимых секций. Полное число каналов электроники равно 172,8 тысяч. Рабочий газ DC и PC 50% аргона и 50% этана.

Детекторы идентификации частиц TOF и RICH использовались для оценки абсолютного импульса (TOF) и для отсечения фонов (RICH). Время-пролетная система (TOF), расположенная в Восточном плече, перекрывает только 1/4 часть аксептанса плеча и измеряет время пролета частицы из вершины взаимодействия на базе около 5 метров. TOF имеет временное разрешение порядка 100 пикосекунд. При известном импульсе TOF позволяет идентифицировать частицы по массе.

В обоих плечах центрального спектрометра расположены детекторы черенковского излучения RICH. Основной задачей RICH является выделение электронов на большом фоне пионов. Детекторы заполняются углекислым газом при атмосферном давлении и имеют объем по 40 м3 с размером входного окна 8,9 м2.

Детекторы глобальных параметров соударений BBC, ZDC, FCAL позволяют в ядро-ядерных столкновениях определить общие характеристики взаимодействия, такие, как момент столкновения, множественность частиц, плоскость реакции, прицельный параметр. BBC обеспечивают временную отметку и положение по z-координате для каждого взаимодействия. Это время является стартом для время-пролетной системы TOF. Совпадение сигналов с двух BBC является основным минимальным триггером первого уровня для запуска считывания остальных детекторов PHENIX. BBCs представляют собой две сборки счетчиков черенковского излучения из кварцевого стекла со считыванием фотоумножителями и расположены сразу за полюсами центрального магнита на рассоянии 144 см от центра спектрометра, Рис. 4. Одна сборка состоит из 64 фотоумножителей с приклеенными радиаторами толщиной 3 см. Для оценки центральности события используется суммарный сигнал с фотоумножителей BBC. Величина этого сигнала линейно растет с числом детектируемых частиц в BBC.

Помимо BBC для определения центральности используются ZDC. ZDC расположены на расстоянии в 18 метров от середины центрального спектрометра под нулевым углом по направлению пучков за первым отклоняющим магнитом DX, Рис. 4, который отклоняет все заряженные частицы. За счет этого ZDC регистрируют нейтроны-спектаторы или испарительные нейтроны, которые являются остатками непровзаимодейтствовавших ядер. Сигналы из ZDC используются для выработки триггеров, для временных измерений и определения положения вершины взаимодействия, для оценки центральности столкновения и для кантроля светимости пучков. Энергетическое разрешение ZDC для одного 100 ГэВ нейтрона составляет 28 ГэВ. На Рис. 7 показан метод селекции событий по центральности с использованием сигналов ZDC и BBC.



Рис. 7 - Корреляция энергии, выделенной в ZDC и суммарным зарядом с фотоумножителей BBC. Прямыми линиями показаны области разбивки событий по группам центральности. Самые центральные события расположены справа при максимальном сигнале с BBC

Передние калориметры FCAL или Forward CALorimeters были использованы только для измерений в d+Au столкновениях. Они являются функциональным аналогом ZDC и служат для измерения протонов-спектаторов. FCAL является адронным калориметром. Каждая сборка FCAL расположена за первым магнитом DX, Рис. 4, который отклоняет все заряженные частицы. За счет большего отношения заряд/масса протоны отклоняются на более чем в два раза больший угол, чем непровзаимодействовавшие ядра пучка. Таким образом FCAL регистрирует отклоненные протоны. В случае столкновений d+Au комбинация из ZDC и FCAL, расположеных в области фрагментации дейтрона, позволяет проводить мечение и выделять события протон-ядро или нейтрон-ядро.

В Главе 4 описан анализ экспериментальных данных. Основной задачей анализа является определение значений инвариантных сечений рождения заряженных адронов. Верхний предел спектра по импульсу определяется увеличивающимся фоном при больших импульсах. Этот фон возникает от распадов частиц с малыми импульсами и от взаимодействий в веществе перед детекторами и на полюсах магнита. Продукты распада и вторичные взаимодействия, возникающие на расстоянии от вершины ядерного столкновения, как правило отклоняются от первоначального направления частицы и могут быть восстановлены трековой системой как частицы с большими импульсами. Причина этого заключается в специфике расположения детекторов на PHENIX: трек измеряется на расстоянии в 2 метра от взаимодействия. Распадные частицы с малыми импульсами пересекут только часть зоны магнитного поля и отклонятся на меньший угол, чем это следовало, если бы частица родилась в центре магнитного поля. Потребовалось тщательное исследование таких фонов.

Физические фоны можно разбить на три группы: распад короткоживущих частиц, конверсия фотонов в электроны на веществе, адронные ливни частиц от взаимодействия с веществом и магнитными полюсами. В Таблице 1 представлен перечень частиц, которые при их распаде рождают частицы и будут восстановлены с ложными большими импульсами.

Таблица 1 - Частицы дающие вклад в фон при реконструкции импульсов выше 5 ГэВ/с

конверсия	Распады адронов	Адронные ливни
e+ + e-	K±, K0,	±anti-p, anti-n

Возникновение фона при больших импульсах от распадов частиц иллюстрируется на Рис. 8. На PHENIX треки с большими импульсами ориентированы под небольшими углами вдоль радиального направления. Если дочерняя частица распада имеет небольшой импульс, но в районе положения дрейфовой камеры летит под меньшим углом, то ее восстановленный импульс окажется гораздо больше. За счет специфики кинематики распада основной вклад в фон при больших импульсах дают распады каонов. Другим существенным источником фонов является конверсия фотонов на веществе перед детекторами. Было проведено детальное исследование источников фонов аналитически и моделированием методом Монте Карло.

Рис. 8 - Пример образования фоновой частицы, реконструируемой с ложным большим поперечным импульсом и К-мезоны распадаются на базе между вершиной и дрейфовой камерой. Мюоны распада меняют первоначальное направление родительской частицы и вылетают под углами более близкими к радиальному направлению.

Разработаны два основных метода борьбы с фонами: привязка треков в падовых камерах РС2 и РС3 и метод статистического вычитания фонов. При импульсе ниже 5 ГэВ/с дополнительно налагался сигнал вето с RICH. При статистическом методе использовалась форма распределения геометрической привязки фоновых треков в РС3. Для этого отбирались треки с реконструированным импульсом выше 10 ГэВ/с, которые, как показали расчеты по Монте Карло, являются с большой долей вероятности чисто фоновыми. Распределения привязки таких треков в РС3 гораздо шире, чем полезный сигнал. Фоны определяют все события с плохой привязкой за пределами 4, где определена для хороших треков. Для каждого интервала импульсов ниже 10 ГэВ/с, используя информацию о форме привязки фоновых треков в РС3 с нормировкой «хвостов» распределения в интервале (4-10), оценивалось число фоновых треков в полезном интервале привязки ±2. В результате удалось надежно промерить спектры заряженных адронов с поперечными импульсами до 10 ГэВ/с.

Важным этапом обработки явилась разработка критериев селекции событий по центральности с последующей оценкой числа про взаимодействовавших нуклонов ядер и полного числа бинарных нуклон-нуклонных столкновений. Определение центральности проводилось в несколько этапов. Сначала в моделировании подбирался близкий к реальности отклик фотоумножителей ВВС. Затем посредством генератора А+А событий разыгрывались различные центральности столкновений, которые восстанавливались в процессе моделирования. Оказалось, что при отборе событий эффективность ВВС триггера равна BBC= 93,1 ±0,4%(стат.) ±1, 6%(сист.). С учетом эффективности регистрации в ZDC эффективность снижается до 92%. Далее, с использованием полученной оценки эффективности спектр событий в ZDC-BBC (Рис. 7) разбивался на группы по 5/92 части от всех событий, начиная с событий в нижнем правом углу на Рис. 7.

Для получения соотношений между интервалом по центральности и прицельным параметром столкновения двух ядер, числом нуклонов-участников и числом нуклон-нуклонных соударений использовалось моделирование взаимодействия ядер по модели Глаубера. Использовалось реалистичное распределение плотности нуклонов в ядре золота по формуле Вудс-Саксона. Для ядра дейтерия применялась волновая функция в зависимости от расстояния между двумя нуклонами. Для энергии в центре масс в 200 ГэВ использовалось неупругое нуклон-нуклонное сечение NN=42 миллибарн. В результате были получены таблицы соотношения центральности в процентах и прицельным параметром, числом провзаимодействовавших нуклонов ядер и числом бинарных нуклон-нуклонных столкновений.

Отдельное внимание было уделено выбору меченых событий в d+Au столкновениях. Для этого использовалась информация с ZDC и FCAL со стороны фрагментации ядер дейтерия. На Рис. 9 представлены события d+Au столкновений в переменных амплитуды в ZDC и FCAL. Выделенные зоны соответствуют событиям для разных сталкиваний.

Рис. 9 - Представление событий в переменных амплитуды в ZDCN и FCALN, расположенных в направлении фрагментации налетающих дейтронов. Сплошными линиями показаны обрезки, которые выделяют pn+Au, p+Au и n+Au события

В Главе 5 описаны поправки и даны оценки систематических ошибок. После вычитания всех фонов полученные предварительные спектры заряженных адронов скорректированы на:

1. Геометрический захват и потери за счет распадов,

2. Потери при сшивке треков в падовых камерах,

3. Влияние конечного импульсного разрешения и неопределенность на абсолютное разрешение по импульсу,

4. Флуктуации измерений в течении всего набора статистики,

5. Поправки, связанные с изменением множественности и загрузки детекторов.

Поправки, не связанные с загрузкой детекторов, были получены в виде одной функции зависящей от импульса частицы. Эта функция была определена с помощью программы GEANT Монте Карло симулирования установки. Для каждого типа частиц K+, K-, p и анти-p было разыграно по 5 миллионов треков в интервале быстро -0,6<y<0,6 , по азимутальному углу в пределах 0<2 и интервале поперечных импульсов 0-10 ГэВ/с. Окончательно единая поправочная функция была получена с учетом реального состава заряженных адронов. Для этого использовались измерения PHENIX по выходам идентифицированных частиц.

При сшивке координат трека на РС3 использовалась привязка в пределах ±2от распределений по d и dz. В предположении формы распределения привязки в виде функции Гаусса это должно давать эффективность при сшивке 94,4%. Однако форма распределения может быть другая. Для того, чтобы проверить насколько точно форма близка к Гауссовской и оценить возникающую ошибку, были проведены расчеты с обрезанием в пределах ±2,5 и ±1,6. Полученные результаты поправлялись на соответствующую неэффективность обрезки, а затем сравнивались с результатами для случая ±2. Вариации спектров при использовании различных сшивок колеблются в пределах нескольких процентов и не превышают 10%, Рис. 10.



Рис. 10 - Отношение скорректированных спектров при различных интервалах привязки треков в случае центральных столкновений

Существенной поправкой является оценка влияния импульсного разрешения и правильность определения абсолютного импульса. При больших импульсах и быстро спадающем спектре начинает сказываться эффект конечного импульсного разрешения: попадание треков с малым импульсом в высокоимпульсную часть спектра. Для оценки импульсного разрешения использовались данные по ширине спектра восстановленной массы частиц с помощью время-пролетной системы TOF.

В ходе обработки результатов измерений оказалось, что значения абсолютного импульса несколько отличаются от предполагаемых оценок. Это связано с неточностями определения магнитного поля и геометрии расположения детекторов. Сдвиг абсолютного значения поля приводит к смещению восстановленной массы, особенно для более тяжелых протонов и антипротонов. После введения поправочного множителя в 1,022 на абсолютный импульс, отношение массы протонов к табличному значению становится близко к 1 при всех значениях импульса. Исходя из разброса в 1,4% по m2, мы определили погрешность по абсолютному импульсу в 0,7%.

Для оценки ухудшения разрешение с увеличением импульса использовалась Монте Карло симуляция треков с реалистичным импульсным разрешением и с использованием последовательных итераций для подгона наклона симулированного спектра.

Абсолютный импульс известен с точностью ±0,7%. Оценка систематической ошибки, вызванной этой неопределенностью, была определена посредством сдвига измеренного импульса вверх и вниз на величину 0,7%*pT.

...