Пространственная зависимость структурных функций ядра в столкновениях релятивистских ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

/Я «А' < '

к,'''

..г' . у7

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Ходинов Александр Иванович

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СТРУКТУРНЫХ ФУНКЦИИ ЯДРА В СТОЛКНОВЕНИЯХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ИОНОВ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Автор:

Научные руководители: кандидат физико-математических наук, доцент Грушин Виталий Викторович и кандидат физико-математических наук, доцент Емельянов Валерий Михайлович

Москва, 1999

Содержание

Введение. 4

1. Ядерные эффекты в структурных функциях. 12

1.1. Структурные функции. 12

1.2. Ядерные эффекты в структурных функциях. Экспериментальная ситуация. 17

1.3. Обзор теоретических подходов и моделей ядерных эффектов в структурных функциях. 20

1.3.1. Модели ЕМС-эффекта. 22

1.3.2 Модели экранирования. 27

1.3.3. Краткие выводы по теоретической ситуации. 36

1.4. Пространственная структура экранирования в ядрах. 39

2. Пространственная зависимость партонных структур» м* функций ядра в столкновениях релятивистских ионов. • .-.»;.•*•• 43

2.1 Структурная функция ядра. 43

2.2 Параметризации эффектов ядерного экранировния. 44 2.3. Модель пространственной зависимости структурных функций ядер. 46

3. Начальные условия эволюции партонной системы. 50

3.1. Сечения рождения министруй в столкновениях релятивистских ядер. 50

3.2. Средняя поперечная энергия министруй. 53

3.3. Влияние экранирования на начальные условия эволюции

партонной системы. 58

4. Корреляции меяеду поперечной энергией и прицельным параметром

в событии в столкновениях тяжёлых ионов. 61

4.1. Формирование поперечной энергии в столкновениях ядер

при высоких энергиях. 61

4.2. Распределения по поперечной энергии

в столкновениях ядер на ускорителях КН1С и ЬНС. 63

5. Рождение пар тяжёлых кварков в столкновениях

релятивистских ионов. 66

5.1 Сечение рождения пар тяжёлых кварков в столкновениях релятивистских ядер. 66

5.2 Сечения рождения пар тяжёлых кварков как функции

прицельного параметра. 70

5.3 Сечения рождения пар очарованных кварков как функции поперечного импульса. 72

6. Сечения рождения 1/у/ и Дрелл-Яновских пар в столкновениях тяжёлых релятивистских ионов. 78

6.1 Отношение сечений рождения Мху и Дрелл-Яновских пар

в столкновениях ядер свинца при ^^ = 17.3 ГэВ/нуклон. 79

6.2 Сечение рождения Л у и Дрелл-Яновских пар

в столкновениях релятивистских ядер на ускорителях ЯН1С и ЬНС. 88

Заключение. 91

Список литературы. 93

Приложения. 100

Таблицы 1-Х1. 100

Рисунки 1-41. 110

ф

Введение

Диссертация посвящена построению модели пространственной зависимости партонных структурных функций ядра и методов её экспериментальной проверки. Для количественной оценки влияния пространственной зависимости на результаты текущих и будущих экспериментов, предлагается расчёт сечений рождения министруй, тяжёлых пар кварков, .//у мезонов и дилептонов в столкновениях тяжёлых релятивистских ядер с учётом различных параметризаций ядерных эффектов в структурных функциях.

Актуальность проблемы

Изучение зависимости структурных функций ядра от прицельного параметра в столкновениях тяжёлых ионов приобретает первостепенное значение в связи с будущими экспериментами по столкновению ядер золота при энергии в системе центра масс

= 200 ГэВ/нуклон на ускорителе релятивистских тяжёлых ионов ЯШС в Брукхейвенской Национальной лаборатории (БНЛ,США) и свинца при = 5.5

ТэВ/нуклон на большом адронном ускорителе ЬНС в ЦЕРН (Швейцария).

Программной задачей этих экспериментов будет поиск сигналов образования нового состояния вещества - кварк-глюонной плазмы (КГП). Такое состояние сверхплотной ядерной материи предсказано более 20 лет назад, и с тех пор предпринимаются значительные теоретические и экспериментальные попытки по поиску признаков КГП. На этом пути следует отметить возможные эффекты усиления странности, подавление выхода JI у/ относительно Дрелл-Яновских пар, аномалии в спектрах «мягких» дилептонов. Как предсказывается, формирование КГП должно происходить в центральных, с прицельным параметром близким к нулю, столкновениях тяжёлых ядер при высокой (выше критической) плотности энергии. Фоном для этих сигналов должны послужить периферические столкновения ядер.

В столкновениях релятивистских ядер, сечения рождения на нуклон тяжёлых кварков, JI у/ и Дрелл-Яновских пар будут подавлены по сравнению с /^-столкновениями из-за ядерных эффектов, модифицирующих структурные функции партонов в ядрах по отношению к свободным нуклонам. В литературе это явление называется ядерным

экранированием или ЕМС-эффектом. Немногочисленные экспериментальные данные по исследованию пространственной зависимости экранирования свидетельствуют о том, что степень модификации зависит от центральности столкновения «пробной» частицы с ядром-мишенью. Наиболее подвергнуты влиянию ядерного окружения нуклоны, находящиеся глубоко внутри ядра, тогда как структурные функции нуклонов, расположенных вблизи ядерной поверхности, и свободных нуклонов близки друг другу.

Однако до сих пор в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию на ядрах, протон-ядерных и ядро-ядерных реакциях анализируются, в подавляющем большинстве случаев, данные, усреднённые по всем возможным столкновениям, не выделяя отдельно вклады в сечения тех или иных интервалов прицельных параметров. Поэтому, чтобы избежать неточностей при трактовке данных экспериментов, необходимо учитывать не только изменение плотности числа партонов в ядре относительно свободных нуклонов, собственно сам ЕМС-эффект, но также и пространственное перераспределение величины экранирования - пространственную зависимость партонных структурных функций ядра.

На современном этапе развития физики высоких энергий, несмотря на множество экспериментальных данных по изучению зависимости величины ядерных эффектов от переменной Бьёркена и масштаба КХД, нет единой теории, объясняющей суть явления. Исследование изменения структурных функций ядра в зависимости от расположения партонов относительно центра ядра поможет прояснить поведение кварков на больших расстояниях, фактически поможет устранить неопределённости в самой КХД, в частности, прояснить проблему конфаймента.

Цели и задачи исследования

Настоящая диссертация посвящена исследованию характера экранирования в реакциях на ядрах в широком диапазоне прицельных параметров в столкновениях релятивистских ионов. Основной целью диссертации является разработка модели пространственной зависимости партонных структурных функций в ядрах и рекомендаций по приложениям модели к анализу результатов экспериментальных исследований на ускорителях ЯН1С и ШС. В диссертации решены следующие задачи:

исследовано влияние эффекта пространственной зависимости структурных функций ядра на сечения реакций, которые планируется изучить в рамках физических программ на ускорителях КН1С и ЬНС ; - разработана модель корреляции поперечной энергии с прицельным параметром в

столкновениях релятивистских ядер;

- показана возможность экспериментального обнаружения пространственной зависимости структурных функций в ядрах в условиях экспериментов RHIC и LHC.

Научная новизна и значимость работы

Впервые исследованы эффекты ядерного экранирования при изменении прицельного параметра Ъ в столкновениях тяжёлых релятивистских ионов.

Предложена модель формирования поперечной энергии Ет в столкновениях релятивистских ионов и впервые установлен характер корреляций между ЬпЕтс учётом пространственного перераспределения эффекта экранирования в ядрах. Рассчитаны спектры по Ет с учётом радиальной зависимости структурных функций ядер в условиях экспериментов CMS и ALICE в ЦЕРН, STAR и PHENIX в БНЛ.

Впервые показано, что как в периферических, так и центральных столкновениях релятивистских ядер, отбор событий в заданном интервале по поперечной энергии позволяет выделить столкновения в фиксированных интервалах прицельного параметра.

- Впервые рассчитаны сечения рождения пар очарованных кварков как функции рт и быстроты в различных интервалах прицельных параметров. Показано, что учёт радиальной зависимости приводит к существенному увеличению выхода сс в периферических столкновениях, что может послужить хорошим инструментом для изучения пространственной структуры ядерных эффектов, поскольку величина изменения зависит от кинематической области и может достигать 40-50% при энергиях RHIC.

Впервые рассчитаны сечения тяжёлых пар кварков, Дрелл-Яновских пар и J /у/ в зависимости от прицельного параметра в столкновениях тяжёлых ядер. Показано, что посредством измерения выхода указанных частиц в различных интервалах прицельных параметров становится возможным изучение пространственной зависимости структурных функций ядра.

- Впервые исследованы отношения сечений рождения J /у/ и Дрелл-Яновских дилептонов как функции поперечной энергии в событии в Pb+Pb столкновениях в условиях эксперимента NA50 на ускорителе SPS. Показано, что пространственная зависимость

структурных функций в ядрах может быть причиной изменения сгЛу/1 oDY при переходе от периферических столкновений к центральным.

- Впервые рассчитаны сечения Дрелл-Яновских пар по инвариантным массам, которые позволяют судить о характере пространственной структуре экранирования по «хвостам» спектров при больших массах дилептонов.

Автор защищает:

1. Зависимость величины ядерного экранирования структурных функций партонов от прицельного параметра в столкновениях тяжёлых релятивистских ядер.

2. Модель корреляций между поперечной энергией в событии и прицельным параметром в столкновениях тяжёлых релятивистских ядер с учётом пространственной зависимости структурных функций в ядрах.

3. Результаты расчётов спектров тяжёлых кварков, 77 у/ и Дрелл-Яновских дилептонов с учётом различных параметризаций величины экранирования в ядрах, указывающие на возможность экспериментального исследования пространственной зависимости структурных функций партонов в столкновениях релятивистских ядер.

Практическая полезность

Результаты, представленные в диссертации, содержат новые сведения о партонной структуре ядра, которые могут быть использованы в дальнейших экспериментальных и теоретических исследованиях ядерных эффектов в структурных функциях. Выводы, изложенные в диссертации, позволят избежать неточностей в интерпретации данных по сопоставлению результатов измерений в различных интервалах прицельных параметров, в частности, должны помочь корректно проанализировать эффекты и явления в центральных по отношению к периферическим столкновениям, что особенно ценно для экспериментов по поиску КГП на RHIC и LHC.

Аппробация и публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе статьи в журналах «Ядерная Физика», «Physical Review С», «Physical Review Letters», сборниках

научных трудов международных и всероссийских конференций, препринты МИФИ и Национальной Лаборатории им. Лоуренса г.Беркли (ЛБНЛ,США). Список основных публикаций приводится ниже.

Результаты, использованные в диссертации, докладывались на 12ой международной конференции студентов и молодых учёных (г.Вена, Австрия, 1997), дважды на конференциях Департамента Ядерной Физики Американского Физического Общества (г.Вистлер, Канада, 1997 и г.Санта-Фе, Нью-Мехико, США, 1998), на Научных Сессиях «МИФИ-98» и «МИФИ-99», на II открытой научной конференции молодых учёных и специалистов (ОИЯИ, г.Дубна, 1998), на научной конференции Отделения Ядерной Физики Российской Академии Наук (ИТЭФ, г.Москва, 1998), 17ой конференции коллаборации «STAR» (г.Брукхейвен, 1998), а также на научных семинарах МИФИ, NSD LBNL и ЛВЭ ОИЯИ.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

1. V. Emelyanov, A. Khodinov, М. Strikhanov.

"Charm Production in Heavy Ion Peripheral Collisions", Preprint МЕРЫ 026-95, M., 1995.

2. B.M. Емельянов, А.И. Ходинов, M.H. Стриханов.

«Корреляции между поперечной энергией и прицельным параметром в столкновениях релятивистских ядер», Ядерная Физика, 1997, том 60, №3, с.539-541.

3. В.М. Емельянов, А.И. Ходинов

«Рождение очарованных кварков в периферических столкновениях релятивистских ядер», Ядерная Физика, 1997, том 60, №8, с. 1489-1494.

4. V. Emelyanov, A. Khodinov, S.R. Klein and R. Vogt.

«Charm Quark Production in Non-Central Heavy Ion Collisions», Physical Review С (Nuclear Physics) 1997, Volume 56, Issue 5, pp. 2726-2735.

5. V. Emelyanov, A. Khodinov, S.R. Klein and R. Vogt.

«Spatial Variation of Nuclear Structure Functions and Heavy Quark Production», Physical Review Letters, 1998, Volume 81, Number 9 , pp. 1801-1804.

6. V. Emelyanov, A. Khodinov, S.R. Klein and R. Vogt.

«Impact Parameter Dependence of JI у/ and Drell-Yan Production in Heavy Ion Collisions at

A/5~=17.3 GeV», Physical Review С (Nuclear Physics) 1999, Volume 59, Issue 4, pp. 1860-

1863.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Содержит 150 страниц, в том числе 41 рисунок, 11 таблиц и библиографию, включающую 175 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе обосновывается актуальность темы диссертации. Приведён краткий обзор экспериментальной ситуации в области иследования ядерных эффектов в партонных структурных функциях. Рассмотрены теоретические модели, в которых изучаются возможные механизмы, приводящие к изменению структурных функций в ядрах по сравнению со свободным нуклоном в зависимости от переменной Бьёркена х и масштаба КХД Q2. Обосновывается необходимость исследования пространственного перераспределения величины ядерного экранирования в зависимости от расположения партонов внутри ядра.

Во второй главе рассматривается модель построения ядерных структурных функций партонов типа i в столкновениях релятивистских ядер А и В:

FiA(x,Q2,f,z)=pÄ^r2+z2)Si(A,x,Q2,r,z)fiN(x,Q2), где рА- плотность ядерной материи, /¡N{x,Q2)- структурные функции свободного изоскалярного нуклона, и S'(A,x,Q2,r,z)- модификации структурных функций в ядре по отношению к свободному нуклону.

Обсуждаются параметризации экспериментальных данных ядерных эффектов в структурных функциях. Вводится модель формирования пространственной зависимости структурных функций ядра. Обсуждается соответствие нововведённой пространственной зависимости наиболее успешным в описании ядерных эффектов теоретическим моделям. Вводится условие нормировки пространственной зависимости, сохраняющее соответствие усреднённых по ядру расчётным значениям экранирования и экспериментальных данных, не предусматривающих выделения вкладов тех или иных интервалов прицельных параметров.

В третьей главе обсуждается влияние ядерных эффектов в структурных функциях с учётом и без радиальной зависимости на формирование начальных условий эволюции

партонной системы в начальный период сразу после столкновения релятивистских ядер. Вычислены средняя поперечная энергия и её стандартное отклонение для министруй с поперечным импульсом pT>pQ, где р0~ 2 ГэВ- нижний предел применимости теории

возмущений КХД. В приближении идеального газа, произведены оценки начальной плотности энергии, множественности и температуры партонной системы. Показано, что в условиях LHC экранирование уменьшает среднюю энергию и множественость партонной системы в ~2.3 раза, на RHIC неопределённости в экранировании несколько меньше - до 15%. Радиальная зависимость не оказывает значительного влияния.

В четвёртой главе рассматривается модель корреляций между поперечной энергией и прицельным параметром в столкновении релятивистских ядер. Показано, что отбор событий в заданном интервале по поперечной энергии позволяет выделить столкновения в фиксированных интервалах прицельного параметра. Вычислены спектры по поперечной энергии в столкновениях релятивистских ядер в условиях экспериментов на RHIC и LHC. Показано, что точность определения величины b в периферических столкновениях зависит от аксептанса установки и может достигать 0.6 Фм при Ет= 500 ГэВ в условиях эксперимента STAR на RHIC, а также 1.1 Фм при Ет = 200 ГэВ для PHENIX на RHIC. Неопределённость восстановления b сокращается при переходе к более периферическим столкновениям, что соответствует меньшим Ет.

В пятой главе вычислены сечения рождения пар тяжёлых кварков в условиях

ускорителей SPS, RHIC и LHC. Показано, что выход СС и bb значительно изменяется в периферических столкновениях при включении пространственной зависимости. В периферических столкновениях экранирование исчезает вследствии пространственной зависимости структурных функций, что приводит к значительному увеличению выхода сс пар по отношению к сечениям со средней величиной экранирования. Более тяжёлому b кварку соответствуют, при тех же энергиях, большие Бьёркеновские х, что в условиях RHIC позволяет исследовать радиальную зависимость как в области экранирования, так и антиэкранирования. Показано, что экранирование, а, следовательно, и проявление пространственных эффектов, может значительно увеличиваться в определённых областях кинематических пере