Подавление заряженных адронов с большими поперечными импульсами в Au+Au столкновениях

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 R_AA.

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 R_AA для (h⁺+h^-)/2 в Au+Au столкновениях как функция от поперечного импульса p_T для девяти классов по центральности и суммарных спектров с минимальным критерием отбора (min.bias). При низких p_T до 2 ГэВ/с, R_AA для заряженных адронов монотонно растет для всех классов центральности. При p_T>2 ГэВ/с R_AA 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 p_T>4 ГэВ/с. Там же для сравнения приводятся данные для нейтральных пионов. Различие R_AA для нейтральных пионов и инклюзивных заряженных адронов в интервале 2
T

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

Рис. 14. R_AA в Au+Au столкновениях как функция от N_part проинтегрированный для p_T>4,5 ГэВ/с.

Обнаружение подавления выхода адронов в центральных ядро-ядерных столкновениях при √s_NN=130 ГэВ и √s_NN=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, dN_g=1000; транспортный коэффициент q~3,5 ГэВ²/фм; коэффицент 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 R_AB 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 R_AB 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 √s_NN=200 ГэВ. Для этого был использован метод мечения событий с протоном-спектатором из ядра дейтерия. Оказалось, что в центральной области быстрот 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 партонов 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 партонов.

В главе 6 отмечалось, что несмотря на хорошее согласие с экспериментом в описании фактора подавления R_AA, 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 приципы КХД для описания эффекта подавления. Более того, при рассмотрении широкого круга экспериментальных данных (не только фактора подавления R_AA) все без исключения модели перестают согласовываться с широким спектром экспериментальных данных при сохранении подгоночных параметров, полученных для описания R_AA. 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 партоны будут иметь пробег 0,3-0,5 Фм. Есть аналогичные близкие оценки для тяжелых кварков. Отсюда следует, что центральная область взаимодействия релятивистких 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 экспериментальтные данные R_AA 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 R_AA для Au+Au (пунктирная кривая) и Cu+Cu (сплошная линия) при √s_NN=200 ГэВ В в зависимости от числа нуклонов участников, N_part. 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 p_Т>7 ГэВ/с.

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 провзаимодействовавших 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 необходиме 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 √s_NN=200 ГэВ и √s_NN=130 ГэВ и для комбинаций d+Au, p+p при √s_NN=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 основинии исследования формы спектров рожденных адронов был сделан вывод, что при импульсах p_T>4-5 ГэВ/с форма спектра не зависит от центральности. Это указывает на преобладание жестких процессов в рождении частиц при больших р_Т.

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 R_AA для численной оценки влияния среды на рождение энергичных адронов. R_AA 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, N_binary.

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, R_AA достигает величины 0,2.

9. Обнаружено отличие в значениях R_AA для заряженных частиц и для ⁰ в интервале импульсов 2
T<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 основыно 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 p_T (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 √s_NN=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 √s_NN=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.