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

Для численного определения эффектов среды на рождение энергичных частиц используют ядерный модификационный фактор R_AA, 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.

R_AA=(выход в А+А)/[(выход в р+р)*N_binary] , (3)

где N_binary 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 R_AA должно равняться единице. Отличие R_AA 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.

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

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 90^о, Рис. 5.

Рис. 5. Внешняя конструкция арки дрейфовой камеры.

Каждая арка разбита по азимутальному углу  на 20 секторов по 4,5^o 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.

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.

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.

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 восстанослены с ложными большими импульсами.

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.

Важным этапом обработки явилась разработка критериев селекции событий по центральности с последующей оценкой числа провзаимодействовавших 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 столкнонений, 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 сталкивений.

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 быстрот -0,6

При сшивке координат трека на РС3 использовалась привязка в пределах ±2от 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.

В ходе обработки результатов измерений оказалось, что значения абсолютного импульса несколько отличаются от предполагаемых оценок. Это связано с неточностями отределения 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%*p_T.

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 систементические 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.