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

Характеристики трековых детекторов не остаются постоянными в течении нескольких месяцев измерений. Случайные проблемы с высоким напряжением в некоторых частях камер вызывают уменьшение аксептанса установки. Была введена систематическая ошибка на эти колебания.

Данные так же поправлены на потерю эффективности регистрации за счет увеличения множественности треков. Такие поправки малы в периферийных соударениях, однако становятся важными с увеличением центральности. Для оценки этих потерь использовались симулированные треки, которые были включены в реальные события. Затем проводилась реконструкция всех треков и оценивалась вероятность не восстановить симулированный трек. Оказалось, что в периферийных соударениях эффективность восстановления треков превышает 98%, однако падает до 70±3,5% в самых центральных столкновениях.

Все указанные поправки и систематические ошибки отдельно оценивались для измерений Au+Au, d+Au и p+p.

В Главе 6 приводятся и обсуждаются полученные экспериментальные результаты. На Рис. 11 приведены инвариантные выходы заряженных адронов в столкновениях Au+Au при энергии 200 ГэВ.

Рис. 11 - Инвариантный выход заряженных адронов в зависимости от поперечного импульса для девяти классов центральности и при минимальном отборе триггера (minimum bias), данные, которые были умножены на фактор 5 для удобства построения. Энергия пучков 200 ГэВ. Показаны только статистические ошибки

В области малых импульсов для всех центральностей спектры имеют экспоненциально спадающую форму, однако в периферийных столкновениях спектры падают быстрее, чем в центральных соударениях. При больших импульсах форма спектров близка к степенной зависимости. Для более подробного изучения формы спектров на Рис. 12 приводится отношение спектров для каждого класса центральности относительно суммарного спектра без разбивки по центральностям (minimum bias). При импульсах более 4-5 ГэВ/с все отношения выхолаживаются и не зависят от импульса. Это указывает на то, что при больших импульсах форма спектра примерно одинакова и мало зависит от центральности. Это говорит в пользу того, что форма спектров при больших pT определяется жестким рассеянием.

Подавление заряженных адронов с большими поперечными импульсами в Au+Au столкновениях. Как уже отмечалось, основным количественным фактором для исследования возможных эффектов среды на наблюдаемые спектры для жестких процессов является ядерный модификационный фактор RAA.

Рис. 12 - Отношение отобранных по центральности pT спектров к суммарному спектру без селекции по центральности (minimum bias). Отношения для периферийных событий умножены на указанный фактор для удобства сравнения

На Рис. 13 показан ядерный модификационный фактор RAA для (h++h-)/2 в Au+Au столкновениях как функция от поперечного импульса pT для девяти классов по центральности и суммарных спектров с минимальным критерием отбора (min.bias). При низких pT до 2 ГэВ/с, RAA для заряженных адронов монотонно растет для всех классов центральности. При pT>2 ГэВ/с RAA остается постоянным и близким к единице для самых периферийных столкновений. Напротив, в центральных соударениях этот фактор уменьшается и становится приблизительно постоянным на уровне 0,2-0,3 для pT>4 ГэВ/с. Там же для сравнения приводятся данные для нейтральных пионов. Различие RAA для нейтральных пионов и инклюзивных заряженных адронов в интервале 2<pT<4,5 ГэВ/с объясняется большой величиной отношения p наблюдаемое в центральных Au+Au столкновениях. Поскольку величина RAA примерно постоянна для pT>4,5 ГэВ/с, можно получить численное описание зависимости от центральности (числа нуклонов участников Npart) посредством интегрирования выходов выше 4,5 ГэВ/с, Рис. 14. В периферийных соударениях при Npart <50 RAA согласуется со скейлингом по числу бинарных нуклон-нуклонных столкновений. С увеличением центральности и Npart RAA монотонно падает, достигая величины 0,23±0,03 (самые центральные 0-5% столкновения) для заряженных адронов и 0,24±0,02 (самые центральные 0-10% столкновения) для 0. Видно, что выход адронов плавно падает с увеличением числа нуклонов участников. Это подавление может быть естественным следствием потери энергии быстрым патроном и рождением адронов только у поверхности зоны взаимодействия.

Рис. 13 - Ядерный модификационный фактор RAA для (h++h-)/2 и 0 в Au+Au столкновениях как функция от поперечного импульса pT для девяти классов по центральности и суммарных спектров с минимальным критерием отбора (min.bias) при энергии пучков 200 ГэВ

Рис. 14 - RAA в Au+Au столкновениях как функция от Npart проинтегрированный для pT>4,5 ГэВ/с

Обнаружение подавления выхода адронов в центральных ядро-ядерных столкновениях при vsNN=130 ГэВ и vsNN=200 ГэВ является одним из наиболее примечательных результатов RHIC. Наблюдение фактора подавления в 4-5 раз при импульсе выше 4 ГэВ/с, которое не наблюдается при более низких энергиях или в p+A соударениях, указывает на сильное влияние образованной среды. В последние годы было предложено множество моделей для описания этого эффекта. Большинство из них основывается на предположении, что плотная цветная среда в фазе деконфайнмента будет вызывать излучение глюонов движущимся партоном. Модели отличаются по типу используемых основных параметров. В качестве значащих параметров используются: начальная плотность глюонов, которая может достигать, согласно некоторым оценкам, dNg=1000; транспортный коэффициент q~3,5 ГэВ2/фм; коэффициент непрозрачности L=3-4; эффективная потеря энергии на уровне dE/dx~14 ГэВ/фм. Все они были подогнаны для согласия с экспериментальными данными.

Совершенно другая интерпретация эффекта подавления адронов с большими импульсами дается в предположении эффектов насыщения структурной функции глюонов. Такое насыщение должно быть связано с эффектами в начальном состоянии и не требует привлечения образования ядерного вещества с необычными свойствами или учета потери энергии быстрым партоном. Для того, чтобы убедиться, что это не так, был проведен цикл контрольных измерений в реакции d+Au. Возможные эффекты начального состояния должны проявляться в таких столкновениях, в то же время не ожидается образование плотной и горячей ядерной среды. На Рис. 15 приведены значения параметра RAB для столкновений d+Au и N+Au при разных центральностях. Центральность группы A соответствует самым центральным 0-20% d+Au соударениям. Видно, что подавление отсутствует. Напротив, наблюдается слабое увеличение RAB за счет эффекта Кронина. Исследовано поведение амплитуды эффекта от среднего числа последовательных нуклон-нуклонных соударений, испытываемых нуклоном дейтерия. Показано, что амплитуда эффекта Кронина быстро насыщается после 1-2 дополнительных перерассеяний нуклона.

Пучек ускоренных ядер дейтерия позволил провести уникальные измерения для столкновений нейтронов с ядрами золота при энергии vsNN=200 ГэВ. Для этого был использован метод мечения событий с протоном-спектатором из ядра дейтерия. Оказалось, что в центральной области быстро в пределах экспериментальных ошибок на уровне 10% нет отличия для реакций n+Au и p+Au.

В Главе 7 сформулирована простая модель описания эффекта подавления быстрых патронов в образующейся плотной ядерной среде. Модель возникла на основе объяснения наблюдаемого эффекта отсутствия поглощения нейтральных пионов в плоскости реакции для полуцентральных Au+Au столкновений. В качестве физической интерпретации модели выдвинута гипотеза о конечном времени формирования плотной среды до момента фактического поглощения быстрых патронов.

В главе 6 отмечалось, что несмотря на хорошее согласие с экспериментом в описании фактора подавления RAA, все модели используют те или иные подгоночные параметры для получения согласия с экспериментом. Проблема систематического описания экспериментальных данных в отмеченных моделях во многом связана с использованием пертубативной КХД. Образуемая на RHIC в ядро-ядерных столкновениях среда является, скорее всего, сильно взаимодействующей и математический аппарат пертубативной КХД становится неправомерен. К сожалению до сих пор отсутствует четкая теория, опирающаяся на основные базовые принципы КХД для описания эффекта подавления. Более того, при рассмотрении широкого круга экспериментальных данных (не только фактора подавления RAA) все без исключения модели перестают согласовываться с широким спектром экспериментальных данных при сохранении подгоночных параметров, полученных для описания RAA. К таким экспериментальным результатам относятся наличие существенной азимутальной ассиметрии в выходах заряженных адронов и нейтральных пионов с большими поперечными импульсами, а так же поведение выхода 0 относительно плоскости реакции.

В последние несколько лет наблюдается развитие совершенно другого подхода для проведения вычислений в непертубативной КХД в сильно взаимодейтстующих средах. Этот подход основывается на голографическом принципе или дуальности между 5-мерным анти-де-Ситтеровским пространством с суперструнами и теорией конформных полей (AdS/CFT). В ряде работ в рамках этого подхода было показано, что в случае образования плотной сильно взаимодействующей среды, быстрые патроны будут иметь пробег 0,3-0,5 Фм. Есть аналогичные близкие оценки для тяжелых кварков. Отсюда следует, что центральная область взаимодействия релятивистских ионов будет непрозрачна для быстрых партонов.

В предложенной нами модели предполагается, что все партоны в центральной области взаимодействия поглощаются, выживают только партоны на периферии зоны взаимодействия. Толщина зоны или короны определяется временем формирования среды и равна 2,3 Фм/с в этой зоне. В этом подходе успешно объясняется ряд экспериментальных наблюдений. На Рис. 15 приводятся экспериментальные данные RAA и результаты расчета по модели для ядер Au+Au и Cu+Cu при 200 ГэВ. Расчеты для Cu+Cu были предсказательными. Введение конечного времени формирования среды до фактического процесса подавления струй является альтернативным взглядом на имеющиеся экспериментальные данные. До сих пор нет экспериментальных данных принципиально противоречащих выдвинутому предположению.

Рис. 15 - Расчет RAA для Au+Au (пунктирная кривая) и Cu+Cu (сплошная линия) при vsNN=200 ГэВ В в зависимости от числа нуклонов участников, Npart. Кружочками представлены экспериментальные данные для 0, открытыми квадратами - результаты данной работы для заряженных адронов с импульсом более 4 ГэВ/с. Треугольники представляют данные для 0 в Cu+Cu при pТ>7 ГэВ/с

В рамках модели дан ряд предсказаний для энергий LHC в CERN.

В Главе 8 сформулированы основные результаты и выводы.

1. Создана установка, позволяющая проводить измерения выходов заряженных частиц в событиях с большой множественностью в ядро-ядерных столкновениях на RHIC. Трековая система центрального спектрометра эксперимента PHENIX обеспечила надежное измерение импульсов заряженных адронов вплоть до 10 ГэВ/с. Разбивка событий по классам центральности столкновений явилась важным критерием для оценки числа про взаимодействующих нуклонов ядер.

2. Проведено исследование причин возникновения физических фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах. Фон имеет два источника в силу геометрии расположения детекторов и конфигурации магнитного поля в центральном спектрометре установки. Это распады короткоживущих адронов и конверсия фотонов на веществе перед детекторами. Было показано, что доминирующий вклад от распадов адронов вносят заряженные и нейтральные каоны.

3. Разработаны и применены на практике способы и методы подавления фонов. Для этого осуществлялась точная «сшивка» треков во всех трековых детекторах. Для импульсов выше 5 ГэВ/с был использован метод статистического вычитания фонов.

4. Введены необходимые поправки и учтены систематические ошибки измерения. Во всем интервале импульсов доминирующей систематической ошибкой является погрешность в оценке вычитаемого фона. Она составляет около 5% при импульсе менее 5 ГэВ/с, но увеличивается до 30% при 10 ГэВ/с.

5. Получены экспериментальные данные по инвариантным выходам заряженных адронов на одно столкновение для разных центральностей в реакциях Au+Au при энергии пучков в системе центра масс сталкивающихся нуклонов vsNN=200 ГэВ и vsNN=130 ГэВ и для комбинаций d+Au, p+p при vsNN=200 ГэВ. В реакции d+Au при использовании метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия удалось отдельно проанализировать столкновения типа p+Au и n+Au. Измерения для последней реакции с участием нейтрона являются единственными проведенными при такой высокой энергии.

6. На основании исследования формы спектров рожденных адронов был сделан вывод, что при импульсах pT>4-5 ГэВ/с форма спектра не зависит от центральности. Это указывает на преобладание жестких процессов в рождении частиц при больших рТ.

7. Результаты измерений спектров заряженных адронов в p+p столкновениях хорошо описываются теоретическими расчетами в пертубативной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в понимании процессов рождения частиц с высокими импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях при энергии RHIC.

8. Был использован ядерный модификационный фактор RAA для численной оценки влияния среды на рождение энергичных адронов. RAA сопоставляет измеренный выход частиц в A+A столкновениях с ожидаемым выходом, опираясь на результаты в реакции p+p. При этом предполагается скейлинг числа жестких партонных взаимодействий по числу бинарных нуклон-нуклонных столкновений, Nbinary.

Оказалось, а это является основным выводом диссертации, что выход заряженных адронов с большими поперечными импульсами существенно подавлен в центральных Au+Au столкновениях. Подавление плавно усиливается с увеличением центральности, RAA достигает величины 0,2.

9. Обнаружено отличие в значениях RAA для заряженных частиц и для 0 в интервале импульсов 2<pT<4,5 ГэВ/с. Оно объясняется большой величиной отношения p/ наблюдаемого в центральных Au+Au столкновениях.

10. Экспериментальные результаты по подавлению выходов адронов с большими поперечными импульсами сравниваются с теоретическими моделями. Большинство моделей основы но на предположении, что плотная цветная среда в фазе деконфаймента будет вызывать потерю энергии движущимся партоном за счет излучения глюонов, что эффективно приводит к понижению выхода фрагментных адронов с большими pT (jet quenching, джет квенчинг). Несмотря на взаимные различия в теоретических подходах продемонстрировано согласие между экспериментом и моделями.

11. Проведены измерения выходов заряженных адронов в контрольном эксперименте в d+Au столкновениях. Отсутствие поглощения d+Au и N+Au столкновениях и сильное подавление в Au+Au взаимодействиях указывают на существенное отличие в последнем случае свойств образующегося вещества от обычной холодной ядерной материи.

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

13. Впервые с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия измерены и сравнены реакции p+Au и n+Au. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при столь высокой энергии vsNN=200 ГэВ являются уникальными. Выходы заряженных адронов оказались одинаковы в пределах ошибок для налетающих протонов и нейтронов.

14. Основываясь на экспериментальных данных PHENIX по рождению нейтральных пионов относительно плоскости реакции была предложена альтернативная модель подавления быстрых партонов в ядро-ядерных столкновениях при энергии RHIC. Многие экспериментальные данные могут быть объяснены в предположении полного подавления партонов в центральной зоне взаимодействия. Выживают только партоны, родившиеся на периферии в зоне или короне с малой плотностью. Выдвинута гипотеза о физической интерпретации толщины короны как времени формирования среды, когда начинается интенсивное подавление партонов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. V.S.Pantuev. First results from PHENIX experiment at RHIC. Proc. Of International Workshop "Relativistic Nuclear Physics: from Hundreds of MeV to TeV", Bulgaria, Varna, 10-16 September 2001, vol.I, pp. 239-252.

2. K.Adcox, V.Pantuev et al. Measurement of single electrons and implications for charm production in Au + Au collisions at s(NN)**(1/2) = 130-GeV. Phys. Rev. Lett. 88, p. 192303 (2002).

3. K.Adcox, V.Pantuev et al. Centrality dependence of the high p(T) charged hadron supperession in Au+Au collisions at sqrt{s_{NN}=130 GeV. Phys. Lett. B561, pp. 82-92 (2003).

4. S.S.Adler, V.Pantuev et al. High--pT charged hadron suppression in Au+Au collisions at sqrt{s_{NN}=$200 GeV. Phys. Rev. C69, p. 034910 (2003).

5. S.S.Adler, V.Pantuev et al. Absence of suppression in particle production at large transverse momentun in sqrt{s_{NN}=200 GeV d+Au collisions. Phys. Rev. Lett. 91, p. 072303 (2003).

6. S.S.Adler, V.Pantuev et al. High-pT charged hadron suppression in Au+Au collisions at sqrt{s_{NN}=200 GeV. Phys. Rev. C69, p. 034910 (2003).

7. S.S.Adler, V.Pantuev et al. Measurement of Transverse Single-Spin Asymmetries for Mid-rapidity Production of Neutral Pions and Charged Hadrons in Polarized p+p Collisions at sqrt(s) = 200 GeV. Phys. Rev. Lett. 95 (2005) p. 202001

8. V.S. Pantuev. Identified particle production at high transverse momentum in nucleus-nucleus collisions at RHIC. Proc. of The XXXXth Recontres de Moriond on QCD and high energy hadronic interactions, La Thuile, Italy, 12-19 March 2005, pp. 174-177 (2005). Препринт arXiv:nucl-ex/0505013.

9. V.S. Pantuev. Constraints induced by finite plasma formation time on some physical observables at RHIC. Препринт arXiv:hep-ph/0509207 (2005).

10. V.S. Pantuev. Evidence of finite sQGP formation time at RHIC. Proceedings of the 22nd Winter Workshop on Nuclear Dynamics, La Jolla, California, March 11-18, 2006. pp. 39-45 (2006). Препринт arXiv:hep-ph/0604268 (2006).

11. V.S. Pantuev. Prior to "Quark Matter 2006" predictions within retarded jet absorption scenario at RHIC. Препринт arXiv:nucl-ex/0610002 (2006).

12. V.S. Pantuev. Jet absorption and corona effect at RHIC. Extracting collision geometry from experimental data. Письма в ЖЭТФ, т. 85, стр. 114-118 (2007). Препринт arXiv:hep-ph/0506095 (2005).

13. V.S. Pantuev. PHENIX measurements of reaction plane dependence of high-p(T) photons and pions. Journ. Of Phys.: Nucl. Part. Phys. G34, pp S805-S808 (2007).

14. N.Armesto, V.S. Pantuev et al. Heavy Ion Collisions at the LHC - Last Call for Predictions. Journ. Of Phys.: Nucl. Part. Phys. G35, p. 054001 (2008). Препринт arXiv:0711.0974

15. V.S. Pantuev. Possible existence of finite formation time of strongly interacting plasma in nuclear collisions at RHIC and LHC. Ядерная Физика, т. 71, стр. 1656-1662 (2008).

Размещено на Allbest.ru