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

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

Ставинский Алексей Валентинович

Недорезов Владимир Георгиевич

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)

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 тяжелях 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.

Основными задачами данной работы являются:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для исследования

свойств вещества, образованного при столкновении релятивистских ядер с энергией √s_NN=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 √s_NN=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 (p_T) 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 √s_NN=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 √s_NN=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 √s_NN=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).

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.

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 η=+/-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 √s_NN=200 ГэВ и 130 ГэВ. Был введен ядерный модификационный фактор R_AA на освании которого получен фактор подавления порядка пяти в самых центральных соударениях (R_AA~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 (dN_g/dη =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 √s_NN=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 R_AA, параметр азимутальной ассиметрии v2, фактор подавление противоположной по азимуту струи I_AA.
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.

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=n_a+n_b+n_c+n_d. 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.

=E_T/(₀r²A^2/3)*dN/dy (1)

где Е_Т 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 p_T>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.