Анализ дальних корреляций для протон-протонных и ядро-ядерных столкновений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

00469317

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АСРЯН Анджей Геворкович

АНАЛИЗ ДАЛЬНИХ КОРРЕЛЯЦИЙ ДЛЯ ПРОТОН-ПРОТОННЫХ И ЯДРО-ЯДЕРНЫХ СТОЛКНОВЕНИЙ

специальность 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 3 июн 2010

Санкт-Петербург 2010

004603170

Работа выполнена на кафедре ядерной физики Физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

ФЕОФИЛОВ Григорий Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

АБРАМОВСКИЙ Виктор Анатольевич, доктор физико-математических наук, СНИГИРЕВ Александр Михайлович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

Защита состоится 2010 г. в ¿¿^Г часов на заседании

совета Д 212.232.16 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, г.Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9, ауд. 302 циклотронной лаборатории.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета им. Горького

Автореферат разослан «К " а.*!оел.л 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета (7)

кандидат физико-математических наук гК , У) Власников А.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В конце 2009 года в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН, CERN) был осуществлен запуск Большого адронпого коллайдера (БАК, LHC) в режиме протон-протонных столкновений. Был произведен сбор данных для столкновений с энергией в системе центра масс 900 ГэВ, а в начале 2010 года энергии достигли рекордных значений 7 ТэВ. В дальнейшем к экспериментальным возможностям LHC должны добавиться встречные пучки ядер свинца с энергией вплоть до 5.5 ТэВ на нуклон.

Одним из многообещающих инструментов для анализа нуклон-нуклопных и ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях может служить метод так называемых дальних корреляций. Дальние корреляции могут могут быть признаком нового физического явление слияния кварк-глюонных струн, которое было предсказано М. Брауном и К. Па-харесом и которое может служить основным процессом начального этапа столкновения адронов, ведущим к образованию КГП. Поиск и исследование дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях между наблюдаемыми величинами, измеренными в разных интервалах быстрот, были предложены в СПбГУ для эксперимента ALICE на БАК и прошли проверку с использованием данных эксперимента NA49. Предложения вошли в физическую программу исследований ALICE [1|.

Цель работы

Основной целью данной работы является анализ особенностей имеющихся экспериментальных данных по корреляции среднего поперечного импульса и множественности заряженных частиц в нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновениях в широком диапазоне энергий ускорителей от ISR (CERN) до Tevatron (Fermilab) с целью поиска новых явлений при энергиях LHC в CERN. Основным подходом к анализу корреляций в данной работе является моделирование событий программными генераторами PYTHIA и PSM.

Были поставлены следующие задачи:

1. Моделирование и анализ экспериментальных данных существующих экспериментов по иуклон-нуклонным и ядро-ядерным столкновениям в широкой области энергий столкновения (ускорители SPS, RHIC, Tevatron) от 17 ГэВ до 1.8 ТэВ при помощи метода дальних (Pt)Nch ~ Nch корреляций.

2. Моделирование и предсказания корреляционных функций для энергий ускорителя LHC для пуклон-нуклонных (10 ТэВ) и ядро-ядерных (5.5 ТэВ на нуклон) столкновений.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. При помощи анализа экспериментальных данных методом дальних корреляций выявлена важная роль коллективных эффектов как в ядро-ядерных столкновениях, так и в пуклон-нуклонных процессах. Показано, что только увеличение роли коллективных явлений в 1.5 раза, рассматриваемых в генераторе событий PYTHIA в виде дополнительных процессов цветовых взаимодействий, позволяет получить удовлетворительное описание данных по корреляции среднего поперечного импульса и множественности заряженных частиц в рр и рр столкновениях в широком диапазоне энергий ускорителей от ISR до Tevatron с единым набором параметров.

2. Данный анализ позволил также экстраполировать результаты на область энергий LHC. Впервые проведены расчеты дальних (pt-Nch корреляций и сделан ряд предсказаний для эксперимента ALICE для нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновений при энергий ускорителя LHC. Предсказывается рост коэффициента корреляции с ростом энергии, ожидается сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Научная и практическая ценность работы

Результаты анализа данных по корреляции {pt)Nch — Nck, быстротным и импульсным распределениям, полученным в нуклон-нуклонных столк-

новеииях, важны для разработки и модификации как теоретических моделей, так и программных генераторов событий.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в работе результатов определяется широкой известностью и повсеместным использованием программного генератора событий PYTHIA. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах. Сделанные выводы не противоречат фундаментальными законам и теориям. Результаты нашли подтверждение в анализе экспериментальных данных.

Апробация работы и публикации

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах кафедры ядерной физики, кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц, лаборатории физики сверхвысоких энергий НИИ физики им. В.А.Фока физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, на рабочих совещаниях коллаборацни NA49 в Институте физики тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте (Германия, ноябрь 2002 г.) и в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Женеве (Швейцария, октябрь 2003 г., июнь и октябрь 2009 г.), в рамках Мой Международной конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, декабрь 2005 г.), на школах и конференциях по физике высоких энергий в Аронсборге (Швеция, июнь 2006 г.), в Спатинде (Норвегия, январь 2008 г.), на рабочих совещаниях и физических форумах коллаборацни ALICE в Эриче (Италия, декабрь 2005 г.) и в Женеве (октябрь 2006 г., март 2008 г.), на Балдинском семинаре в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (сентябрь 2006 и 2008 гг.) и в Курчатовском институте (Москва, март 2009 г.)

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 2 приложений и содержит 89 страниц, 36 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 58 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во Введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, сформулированы основные задачи диссертации, дается краткое содержание отдельных глав.

Глава 1. Корреляционные эффекты в столкновениях нуклонов и ядер при высоких энергиях

Первая глава посвящена теоретическим основам процессов столкновения нуклонов и ядер при высоких энергиях. Глава состоит из четырех параграфов.

В §1.1 освещены основные положения квантовой хромодинамики, описывается процесс образования хромодинамических струи при столкновениях партонов.

В §1.2 рассмотрена стандартная модель цветовых струн и модели описания их взаимодействия. В простейшей струнной модели [2]- [3] струны образуются в результате взаимодействия партонов, составляющих сталкивающиеся при высоких энергиях нуклоны, и затем распадаются, образуя кварк-антикварковые пары и испуская частицы по всей области быстрот. С увеличением энергии нуклонов либо атомного номера сталкивающихся ядер число образующихся струи растет и они могут перекрываться, образуя кластеры. При этом критическим является вопрос о существовании взаимодействия между перекрывающимися струнами [4].

Существует ряд моделей, претендующих на описание явления взаимодействия струн. В рамках данной работы используются три основных подхода.

Во-первых, это модель независимых струн. В ее рамках струны считаются невзаимодействующими. Эта модель представлена в дайной работе в составе других моделей в виде нулевого эффекта взаимодействия струн.

Вторая представленная модель — это модель множественных взаимодействий, реализованная в рамках генератора событий РУТША. Струны в данной модели рассматриваются по очереди, рождающиеся одна за другой в последовательных взаимодействиях. Модель множественных

взаимодействий подробно описывается в Главе 3.

Третья модель в данной работе — модель слияния (и более общая — модель перколяции) струн [5], являющаяся основой генератора РБМ. В рамках этой модели струны изначально образуются независимо друг от друга, а затем их пространственные наложения рассматриваются как полностью или частично слившиеся в одну струны. Перколяциоппая модель подробно описана в Главе 4.

В любом из сценариев взаимодействующие струны связываются в одну, образуя новые струны. Они обладают другими квантовыми характеристиками и соответственно распадаются и излучают не так как независимые струны.

В §1.3 вводятся понятия наблюдаемых величин — множественности и поперечного импульса — и трех типов корреляций между ними. Вводятся определения быстроты и псевдобыстроты, используемые в дальнейшем. Множественность заряженных частиц А'сн определяется как число частиц, зарегистрированных детектором в данном событии в заданной области быстрот вылета частиц. Поперечный импульс рг есть поперечная составляющая импульса частиц.

Дальние корреляции - это зависимости между наблюдаемыми величинами, измеренными в различных, отдаленных друг от друга интервалах быстрот.

Можно ввести разные типы корреляций между наблюдаемыми величинами. Так, если ввести два быстротных интервала для "заднего (В) окна" и "переднего (Р) окна", в которых в каждом событии измеряется множественность Ы^ и средний поперечный импульс р; заряженных частиц, то, изучая данные наблюдаемые событие-за-событием, можно определить — Лсд корреляции как зависимость среднего поперечного импульса в заднем окне {р?в).„ от числа частиц в переднем пр. Здесь

/ 4/г

(Р(в) ~~ среднее по всем событиям, а пр — среднее в одном событии. В области линейных участков корреляционной картины обычно вводится линейная зависимость типа у = а + Ьх, где Ь - коэффициент корреляции.

В §1.4 поясняется, как дальние корреляции используются для анали-

за процессов взаимодействия струн. Так, в модели невзаимодействующих струн корреляции не должны наблюдаться, т.к. каждая струна испускает частицы со случайными значениями импульса во всей области быстрот и среднее значение импульса частиц в заднем окне быстрот не зависит от множественности частиц, измеренной в переднем окне. Это также справедливо и для измерений поперечного импульса и множественности в одном и том же интервале быстрот. При слиянии струи картина меняется, т.к. наряду с простыми струнами в образовании частиц участвуют и составные струны и образуется флуктуирующая смесь источников разного типа, что может приводить к появлению дальних корреляций.

Таким образом, факт появления дальних корреляций может использоваться как сигнал о достижении некоторой критической плотности струн на единицу площади поперечного сечения, что в свою очередь может привести к образованию кварк-глюонной плазмы [1].

Глава 2. Анализ экспериментальных данных по дальним корреляциям

Во второй главе произведен анализ существующих экспериментальных данных, описаны результаты по нуклон-нуклонным и ядро-ядерным столкновениям. Анализ экспериментальных данных по столкновениями протонов и антипротонов показывает наличие общих особенностей и закономерностей [6]:

• при малых энергиях (до 40 ГэВ) корреляция отрицательная, с увеличением множественности частиц их средний импульс падает;

• с ростом энергии столкновения коэффициент корреляции растет и становится положительным (пересекая нуль в районе ~ 40 ГэВ);

• все графики начинаются со "ступеньки— небольшого участка, где средний поперечный импульс частиц не зависит от множественности;

• при больших множественностях и высоких энергиях зависимости обнаруживают тенденцию выхода средних значений поперечного импульса на "плато".

Глава 3. Генератор событий РУТША для анализа нуклон-нуклонных столкновений

Третья глава посвящена результатам моделирования экспериментальных данных по нуклон-нуклонным столкновениям при помощи генератора событий РУТША. Глава состоит из трех параграфов. В §3.1 описан генератор РУТША и физическая модель, на которой он основан, а в §3.2 — некоторые коллективные эффекты, заложенные в генератор и использованные в данной работе.

Физическая струнная картина в РУТША основана на модели множественных взаимодействий (ММВ). В рамках данной модели в одном событии рассматриваются партон-партонные взаимодействия, для каждого из которых в отдельности вероятность взаимодействия зависит от поперечного импульса и определяется при помощи теории возмущений в рамках квантовой хромодинамики (КХД).

Далее партон-партонные взаимодействия рассматриваются последовательно, одно за другим, в порядке очередности по величине переданного импульса, т.е. сначала рассматриваются жесткие процессы, затем более мягкие и т.д. Развитие взаимодействия может происходить по трем сценариям:

• взаимодействие типа дд —> дд — рождение глюон-глюонной струны. Между двумя глюонами с одной стороны и двумя глюонами с другой, образуются независимые струны.

• взаимодействие типа дд —>■ дд — "слияние"глюон-глюонной струны. При данном процессе вновь образуемые струны попадают в состав уже существующих струн.

• взаимодействие типа дд —> (щ — рождение кварк-антикварковой пары и натягивание струны между разлетающимися д и д.

Вероятность трех возможных процессов определяется соотношением двух параметров - вероятности рождения (РА11Р(86), по умолчанию 66%) и слияния (РА11Р(85), по умолчанию 33%) глюонных струн в рамках

ММВ. Влияние значения вероятности слияния струн (при фиксировании остальных параметров) для рр столкновений при энергии 900 ГэВ представлено на Рис. 1.

В §3.2 приведены основные результаты моделирования экспериментальных данных по нуклон-нуклопным столкновениям при помощи PYTHIA.

В данной работе были проведены также исследования (pt) xcll — Nch. корреляций для столкновений рр при помощи более современной версии генератора событий PYTHIA vG.325. Было показано, что и PYTHIA v6.325 с настройками по умолчанию не дает правильного описания корреляционных функций (например, [7,8]).

В связи с этим было проведено исследование влияния эффектов коллективности, присутствующих в PYTHIA vG.325 на (pt)— Nch корреляции. Такой набор Был найден набор значений параметров, который позволил описать ptn корреляционные функции для как можно более ши-

Рис. 1: Влияние значения РАИР(85), соответствующего вероятности слияния глюонных струн, на вид ~ ЛсЛ корреляций. РУТША \'6.325 моделирование, рр столкновения

при энергии 900 ГэВ ¡6,7].

0 55

С

0 35 03 0.2S

Рис. 2: Экспериментальные результаты (белые кружки) и моделирование PYTHIA (закрашенные кружки) столкновении рр при 200, 540 и 900 ГэВ, центральная область быстрот >?<|2.5| [6,7].

рокой области энергий рр столкновений, а именно — все исследуемые процессы включены, вероятности образования и слияния струн существенно увеличены и равны 95% и 90% соответственно. Некоторые результаты представлены на Рис. 2, приведено сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных для столкновения рр при энергиях 200, 540 и 900 ГэВ. Было показано, что корректное описание {pt)xCh ~ Nch корреляции можно получить [7] путем настройки параметров PYTHIA и при усилении роли коллективных эффектов в модели в виде цветовых корреляций глюонпых струн [9], включенных в PYTHIA v6.325.

Глава 4. Генератор событий PSM для анализа ядро-ядерных столкновений

В четвертой главе речь идет о генераторе событий Parton String Model (PSM), используемом данной работе для моделирования дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях. Глава состоит из трех параграфов. В §4.1 и §4.2 описаны, соответственно, партонно-струпная модель и сам генератор PSM, основанный на концепции слияния струн [10|. Реализованная в PSM модель на данный момент не описывает слияние более чем двух струн и перколяцию струн.

Ранее в работах М. Брауна и его коллег [11,12] было показано, что при включении эффекта слияния струн основные наблюдаемые величины будут изменяться следующим образом:

' = <р?)я = ^(Plh- / (1)

1ЖЖ8Й5

200 GeV рр collisio

„ДО

10 20 30 40 &0

540 GeV рр collisions

w

PVtwa лТд p«mn .Z

900 GeV pp collisions

: * • \ '-»J1» 1

В §4.3 приведены результаты моделирования для некоторых энергий столкновений ядер свинца и золота. На Рис. 3 представлены результаты моделирования дальних (pt)jvc/l — Nch корреляций для столкновений РЪРЬ и АиАи при энергии 900 ГэВ на нуклон в системе центра масс при включенном и выключенном параметре учёта слияния цветовых струн. Из диаграмм видно, что в модели со слиянием струн происходит рост среднего поперечного импульса, а средняя множественность уменьшается примерно в полтора раза по сравнению с моделью, где коллективные эффекты в виде взаимодействия между струнами отсутствуют. Глава 5. Результаты моделирования для LHC В пятой главе полученные ранее результаты используются для предсказаний для энергии LHC. В §5.1 проводятся расчеты для нуклоп-нуклонпых и ядро-ядерных столкновений при помощи генераторов событий PYTHIA и PSM, произведено сравнение с другими моделями. Полученные результаты представлены на Рис. 4.

Данные исследования, а также ряд других исследованных факторов, позволяют предположить, что анализ экспериментальных данных кол-лаборации ALICE на LHC как для протон-протонных, так и для ядро-ядерных столкновений, даст возможность изучить явления взаимодействия и слияния цветовых струн более подробно.

В §5.2 обсуждаются полученные результаты и рассматриваются даль-

Рис. 3: Моделирование дальних {р^м^ ~ ^гк корреляций для РЬРЬ (слева) и АиАи (справа) столкновений при энергии 900 ГэВ на нуклон в системе центра масс с учётом (закрашенные кружки) и без учёта (белые кружки) эффектов слияния струн.

*ih I LMur'. • . I ' %

to« FUSION > I I J

100 200 300 400 500 600 7СЮ 800

Рис. 4: Предсказания дальних {pt)Nch~ Nch корреляций. Слева рр столкновения при энергии 14 ТэВ и сравнение с моделью ЕРЕМ [13]. Справа РЬРЬ столкновения при энергии 5.5 ТэВ на нуклон с учётом и без учёта эффекта слияния струн.

иейшие пути для развития и модификации генераторов событий.

Заключение

Коротко сформулированы основные результаты диссертации:

1. Произведено моделирование и анализ экспериментальных данных (корреляции {pt).\ch — Nch, быстротные и импульсные распределения) существующих экспериментов по пуклон-нуклонным и ядро-ядерным столкновениям в широкой области энергий столкновения (ускорители SPS, RHIC, Tevatron) от 17 ГэВ до 1.8 ТэВ при помощи метода дальних (Pt)Nch — Nck корреляций.

2. Показана важная роль коллективных эффектов как в ядро-ядерных столкновениях, так и в нуклон-нуклонных процессах. Показано, что увеличение роли коллективных явлений, рассматриваемых в генераторе событий PYTHIA в виде дополнительных процессов цветовых взаимодействий, позволяет получить удовлетворительное описание данных по корреляции среднего поперечного импульса и множественности заряженных частиц в рр и рр столкновениях в широком диапазоне энергий от ISR (CERN) до Tevatron (Fermilab) с единым набором параметров, а также экстраполировать результаты на область энергий LHC.

3. Проведены расчеты и сделан ряд предсказаний для эксперимента ALICE для нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновений для энергий ускорителя LHC. Выявлена сильная зависимость дальних корреляций от интенсивности взаимодействия струн, в разных моделях называемых слиянием, перколяцией, экранировкой, перезамыканием струн. Показано, что с увеличением энергии столкновений увеличивается роль коллективных эффектов для описания и понимания экспериментальных результатов.

Приложения

В диссертации имеются два приложения. В приложении А приводится краткое описание экспериментальных установок, данные которых были использованы в работе. В приложении В описывается один из разработанных программных пакетов, используемый для моделирования и анализа корреляционных функций в рамках комплекса ROOT/AHROOT.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А. Асрян, Д. Деркач, Г. Феофилов, Корреляция {pt)Nch — Nch и коллективные эффекты, и рр и рр столкновениях при энергиях от ISR до Tevatron и LHC - Вестник СПбГУ, 2008, Сер. 4, Вып. 2, стр. 3-16

2. A. Asryan, D. Derkach, М. Braun, G. Feofilov, A. Ivanov, R. Kolevatov, V. Kondratiev, R Naumenko, V. Vechernm, Long-range Correlation Studies In ALICE - ALICE PPR, Vol. 2, Chap. 15, 18 November 2005, p. 49-52

3. A. Asryan, D. Derkach, M. Braun, G. Feofilov, A. Ivanov, R. Kolevatov, V. Kondratiev, P. Naumenko, V. Vechernm, Long-range Correlation Studies In ALICE — Journal of Physics G, Nuclear and Particle Physics, Vol. 32, Number 10, October 2006, p. 1749-1752

4. A. Asryan, D. Derkach, G. Feofilov, материалы международной конференции ISHEPP-XVIII in Dubna (September 2006) стр. 3-10, т.2

5. A. Asryan, G. Feofilov, A.Grebenyuck, A. Ivanov, V. Vechernin, материалы международной конференции ISHEPP-XIX in Dubna (September 2008) стр. 208-214, т.2

Список литературы

[1] ALICE Collaboration (A. Asryan et al.), Journal of Physics G, Vol. 32, Number 10 (2006)

[2] A. Capella et al., Pliys. Lett. 81B (1979) 68, Z. Phys. C33 (1987) 1452

[3] A.B. Kaidalov and K.A. Ter-Martirosyan, Phys. Lett. 117B (1982) 247

[4] B.A. Абрамовский, O.B. Канчели, Письма в ЖЭТФ, т.31, 566, 1980

[5] M.A.Braun and C.Pajares, Eur. Phys. J. C16 (2000) 349

[6] А. Асрян, Д. Деркач, Г. Феофилов, Вестник СПбГУ, 2008, Сер. 4, Вып. 2, 3-16

[7] A. Asryan, G. Feofilov, Studies of pt-n correlation in proton collisions in the framework of PSM and PYTHIA generators, ALICE Week, Physics Forum, CERN, 11 October 2006.

[8] D. Acosta et al., Phys. Rev. D 65 (2002) 072005;

[9] T. Sjostrand, L. Lonnblad, S. Mrenna, P. Skands, PYTHIA 6.3 Physics and Manual, hep-ph/0308153, LU TP 03038, August 2003

[10] N.S. Amelin, N. Armesto, C. Pajares and D. Sousa, String Fusion Model: PSM-1.0 User's Manual, hep-ph/0103060

[11] M.A. Braun, C. Pajares and V. Vechernin, Phys. Lett. B493 (2000) 54

[12] A. Bolokhov, M. Braun, G. Feofilov et al., CERN Internal Note/PHY ALICE-INT-2002-20 1.0

[13] N. Armesto, D. Derkach, G. A. Feofilov, Ядерная Физика, 2008, том 71, №12, с. 2122-2131; Physics of Atomic Nuclei, 71, No. 12, 2087-2095 (2008)

Подписано к печати 21.04.10. Формат 60 '84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 4726. Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии Химического факультета СГОГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-40-43,428-69-19

Введение

1 Корреляционные эффекты в столкновениях нуклонов и ядер при высоких энергиях

1.1 Особенности процессов столкновения нуклонов и ядер при высоких энергиях.

1.2 Модель цветовых струн и явление слияния.

1.3 Наблюдаемые величины и корреляции между ними

1.4 Дальние корреляции как метод исследования взаимодействия струн.

2 Анализ экспериментальных данных по дальним корреляциям

3 Моделирование нуклон-нуклонных столкновений при помощи генератора событий PYTHIA

3.1 Описание и физическая модель генератора событий PYTHIA

3.2 Коллективные эффекты в PYTHIA.

3.3 Результаты моделирования экспериментальных данных при помощи PYTHIA

4 Моделирование ядро-ядерных столкновений при помощи генератора событий PSM

4.1 Партонно-струнная модель PSM.

4.2 Параметры и настройка PSM-1.0 и PSM-2.0.

4.3 Моделирование РЪРЪ и АиАи столкновений.

5 Результаты моделирования для LHC

5.1 Расчеты рр и РЪРЪ для LHC и сравнение моделей.

5.2 Предложения по дальнейшей разработке PYTHIA и PSM

Актуальность работы

В конце 2009 года в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН, CERN) был осуществлен запуск Большого адронного коллай-дера (БАК, LHC) в режиме протон-протонных столкновений. Был произведен сбор данных для столкновений с энергией в системе центра масс 900 ГэВ, а в начале 2010 года энергии достигли рекордных значений 7 ТэВ. В дальнейшем к экспериментальным возможностям LHC должны добавиться встречные пучки ядер свинца с энергией вплоть до 5.5 ТэВ на нуклон.

Детектор ALICE — одна из четырех основных крупнейших экспериментальных установок, подготовленных к работе на БАК. Установка ALICE является уникальным детектором, предназначенным для поиска и исследований кварк-глюонной плазмы (КГП) — особого состояния материи, в котором, как предполагается, она существовала в первые микросекунды после Большого взрыва. Детектор ALICE разработан в расчете на регистрацию высокой множественности рождаемых вторичных частиц, ожидаемой в столкновениях ядер свинца при энергиях 5.5 ТэВ на нуклон, что позволит получить недостижимые ранее плотности вещества и энергии. Результаты, которые можно будет получить с началом эксперимента ALICE на нуклон-нуклонных столкновениях должно дать основу для последующего анализа и поиска новых физических эффектов в ядро-ядерных столкновениях.

Доступные в настоящее время экспериментальные данные по столкновениям протонов и ядер при релятивистских энергиях демонстрируют целый ряд закономерностей, указывающих на проявление разнообразных коллективных эффектов, некоторые из которых могут служить первыми, предварительными признаками образования кварк-глюонной плазмы. К ним можно отнести широко известные явления подавления выхода рождения частиц J/ip, наблюдавшееся в эксперименте NA50 на ускорителе SPS в ЦЕРН для центральных столкновений свинца (данное явление "плавления J/ip" было предсказано ранее как один из возможных сигналов образования КГП), увеличение выхода странных и мульти-странных гиперонов в эксперименте NA57 в ЦЕРН, эффекты подавления выхода частиц с большими поперечными импульсами в АиАи столкновениях на ускорителе RHIC, и ряд других. Накопленный обширный экспериментальный материал до сих пор не дает, однако, однозначного ответа на вопрос о процессах адронных столкновений при высоких энергиях. Поэтому подготовка и настройка методов и инструментов для анализа и обработки экспериментальных данных на новом ускорителе БАК имеет решающее значение.

Одним из многообещающих инструментов для анализа нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях может служить метод так называемых дальних корреляций. Дальние корреляции могут могут быть признаком нового физического явление слияния кварк-глюонных струн, которое было предсказано М. Брауном (СПбГУ, РФ) и К. Пахаресом (Университет Сантьяго-ди-Компостелла, Испания) и которое может служить основным процессом начального этапа столкновения адронов, ведущим к образованию КГП. Поиск и исследование дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях между наблюдаемыми величинами, измеренными в разных интервалах быстрот, были предложены в СПбГУ для эксперимента ALICE на БАК и прошли проверку с использованием данных эксперимента NA49. Предложения СПбГУ вошли в физическую программу исследований ALICE.

Использование данного метода как для моделирования, так и для анализа существующих экспериментальных данных дает возможность производить оценки и предсказания для будущих экспериментов, что и определяет актуальность данной работы.

Анализ особенностей, имеющихся экспериментальных данных в нуклон-нуклонных столкновениях в широком диапазоне энергий ускорителей от ISR (CERN) до Tevatron (Fermilab) и в ядро-ядерных столкновениях при энергиях SPS и RHIC, указывает на общую сложность наблюдаемых корреляционных картин. При этом исследование корреляций между наблюдаемыми величинами в столкновениях нуклонов являются базовыми для исследования ядро-ядерных столкновений.

Концепция цветных кварк-глюонных струн, образующихся при столкновениях и взаимодействии партонов (кварков), входящих в состав сталкивающихся нуклонов и ядер, отличается, несмотря на феноменологию, предсказательной силой. Последнее является причиной широкого использования данной концепции при создании ряда известных генераторов событий.

Используемый в данной работе генератор событий PYTHIA является одной из самых широко используемых программ для реализации моделирования столкновений элементарных частиц при высоких энергиях методом Монте-Карло. Данный генератор включает в себя реализацию процессов "мягких" и "жестких" взаимодействий, детальное рассмотрение начальных и конечных состояний, множественные взаимодействия, партонные распределения, образование и распад кварк-глюонных струн и т.д.

Увеличение роли коллективных явлений, рассматриваемых в генераторе событий PYTHIA в виде дополнительных процессов цветовых взаимодействий, позволило получить удовлетворительное описание данных по корреляции среднего поперечного импульса и множественности заряженных частиц в рр и рр столкновениях в широком диапазоне энергий ускорителей от ISR до Tevatron с единым набором параметров, а также и экстраполировать результаты на область LHC.

Генератор событий PSM (Parton String Model) является реализацией партонно-струнной модели для ядро-ядерных столкновений, основанной на генераторе PYTHIA. Дополнительные модули представляют собой модификацию PYTHIA и включают в себя учет специфики столкновения многонуклонных систем. В данной работе генератор PSM и его модификации используются как инструмент для моделирования ядро-ядерных столкновений для дальнейшего анализа корреляций.

Цель работы

Основной целью данной работы является анализ особенностей имеющихся экспериментальных данных по корреляции среднего поперечного импульса и множественности заряженных частиц в нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновениях в широком диапазоне энергий ускорителей от ISR (CERN) до Tevatron (Fermilab) с целью поиска новых явлений при энергиях LHC в CERN. Основным подходом к анализу корреляций в данной работе является моделирование событий программными генераторами PYTHIA и PSM.

Были поставлены следующие задачи:

1. Моделирование и анализ экспериментальных данных существующих экспериментов по нуклон-нуклонным и ядро-ядерным столкновениям в широкой области энергий столкновения (ускорители SPS, RHIC, Tevatron) от 17 ГэВ до 1.8 ТэВ при помощи метода дальних (Pt)Nch - Kh корреляций.

2. Моделирование и предсказания корреляционных функций для энергий ускорителя LHC для нуклон-нуклонных (10 ТэВ) и ядро-ядерных (5.5 ТэВ на нуклон) столкновений.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. При помощи анализа экспериментальных данных методом дальних корреляций выявлена важная роль коллективных эффектов как в I ядро-ядерных столкновениях, так и в нуклон-нуклонных процессах. Показано, что только увеличение роли коллективных явлений в 1.5 раза, рассматриваемых в генераторе событий PYTHIA в виде дополнительных процессов цветовых взаимодействий, позволяет получить удовлетворительное описание данных по корреляции среднего поперечного импульса и множественности заряженных частиц в рр и рр столкновениях в широком диапазоне энергий ускорителей от ISR до Tevatron с единым набором параметров.

2. Данный анализ позволил также экстраполировать результаты на область энергий LHC. Впервые проведены расчеты дальних (pt)Nch — Nch корреляций и сделан ряд предсказаний для эксперимента ALICE для нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновений при энергий ускорителя LHC. Предсказывается рост коэффициента корреляции с ростом энергии, ожидается сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Научная и практическая ценность работы

Результаты анализа данных по корреляции (pt)Nch — А^/;,, быстрот-ным и импульсным распределениям, полученным в нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновениях, важны для разработки и модификации как теоретических моделей, так и программных генераторов событий. Полученные результаты показали, что коллективные эффекты слияния цветовых струн вносят существенный вклад в процессы взаимодействия адронов при высоких энергиях. Разработанные методы будут использованы для анализа экспериментальных данных ALICE.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в работе результатов определяется широкой известностью и повсеместным использованием программного генератора событий PYTHIA. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах. Сделанные выводы не противоречат фундаментальными законам и теориям. Результаты нашли подтверждение в анализе экспериментальных данных.

Аппробация

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах кафедры ядерной физики, кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц, лаборатории физики сверхвысоких энергий НИИ физики им. В.А.Фока физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, на рабочих совещаниях коллаборации NA49 в Институте физики тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте (Германия, ноябрь 2002 г.) и в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Женеве (Швейцария, октябрь 2003 г., июнь и октябрь 2009 г.), в рамках 14ой Международной конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, декабрь 2005 г.), на школах и конференциях по физике высоких энергий в Аронсборге (Швеция, июнь 2006 г.), в Спатинде (Норвегия, январь 2008 г.), на рабочих совещаниях и физических форумах коллаборации ALICE в Эриче (Италия, декабрь 2005 г.) и в Женеве (октябрь 2006 г., март 2008 г.), на Валдинском семинаре в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (сентябрь 2006 и 2008 гг.) и в Курчатовском институте (Москва, март 2009 г.)

Публикации

1. А. Асрян, Д. Деркач, Г. Феофилов, Корреляция (Pt)Nch — Nch и коллективные эффекты ирр ирр столкновениях при энергиях от ISR до Tevatron и LHC — Вестник СПбГУ, 2008, Сер. 4, Вып. 2, стр. 3-16

2. A. Asryan, D. Derkach, М. Braun, G. Feofilov, A. Ivanov, R. Kolevatov, V. Kondratiev, P. Naumenko, V. Vechernin, Long-range Correlation Studies In ALICE - ALICE PPR, Vol. 2, Chap. 15, 18 November 2005, p. 49-52

3. A. Asryan, D. Derkach, M. Braun, G. Feofilov, A. Ivanov, R. Kolevatov, V. Kondratiev, P. Naumenko, V. Vechernin, Long-range Correlation Studies In ALICE — Journal of Physics G, Nuclear and Particle Physics, Vol. 32, Number 10, October 2006, p. 1749-1752

4. A. Asryan, D. Derkach, G. Feofilov, материалы международной конференции ISHEPP-VIII in Dubna (September 2006) стр. 3-10, т.2

5. A. Asryan, G. Feofilov, A.Grebenyuck, A. Ivanov, V. Vechernin, материалы международной конференции ISHEPP-XIX in Dubna (September 2008) стр. 208-214, т.2

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 2 приложений и содержит 89 страниц, 37 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 58 наименований.

Выводы и заключение

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Произведено моделирование и анализ экспериментальных данных (корреляции (pi)ncH ~ Д^з быстротные и импульсные распределения) существующих экспериментов по нуклоп-нуклонным и ядро-ядерным столкновениям в широкой области энергий столкновения (ускорители SPS, RHIC, Tevatron) от 17 ГэВ до 1.8 ТэВ при помощи метода дальних (pt)Nch — Nck корреляций.

2. Показана важная роль коллективных эффектов как в ядро-ядерных столкновениях, так и в нуклон-нуклонных процессах. Показано, что увеличение роли коллективных явлений, рассматриваемых в генераторе событий PYTHIA в виде дополнительных процессов цветовых взаимодействий, позволяет получить удовлетворительное описание данных по корреляции среднего поперечного импульса и множественности заряженных частиц в рр и рр столкновениях в широком диапазоне энергий от ISR (CERN) до Tevatron (Fermilab) с единым набором параметров, а также экстраполировать результаты на область энергий LHC.

3. Проведены расчеты и сделан ряд предсказаний для эксперимента ALICE для нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновений для энергий ускорителя LHC. Выявлена сильная зависимость дальних корреляций от интенсивности взаимодействия струн, в разных моделях называемых слиянием, перколяцией, экранировкой, перезамыканием струн. Показано, что с увеличением энергии столкновений увеличивается роль коллективных эффектов для описания и понимания экспериментальных результатов.

Также в данной работе сделан обзор существующих экспериментальных данных по (pt)Nch. ~ Nch корреляции в протон-(аити)протонных и ядро-ядерных столкновениях в широкой области энергий от 17 до 1800 ГэВ в СЦМ. Выявлены и проанализированы основные особенности поведения корреляционной функции, такие как рост коэффициента корреляции от отрицательных значений к положительным при увеличении энергии столкновений; при больших множественностях и высоких энергиях столкновений значение среднего поперечного импульса выходят на «плато», наблюдается тенденция к насыщению; графики начинаются со ступеньки — небольшого участка, на котором средний поперечный импульс не зависит от множественности; в случае ядер корреляционная функция чувствительна к центральности столкновения; связь корреляция поперечного импульса и множественности с флуктуациями образования струн и т.д.

Результаты данной работы, полученные с использованием генератора событий PYTHIA, важны для модификации генератора событий на основе PSM. Разработана модификация генератора событий PSM, необходимая для дальнейшего поиска и анализа {Pt)Nch ~ Nch дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях на БАК. Использование идеи дальних корреляций между наблюдаемыми величинами при их измерении событие за событием в различных быстротных интервалах оказалось успешным для настройки генераторов событий. Путем моделирования событий в нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновениях в широком диапазоне энергий ускорителей от ISR (CERN) до Tevatron (Fermilab) программными генераторами PYTHIA и PSM и сравнением с экспериментом удалось получить удовлетворительные результаты при описании существующих экспериментальных данных. Это дает возможность экстраполировать модели на более высокие энергии столкновений и произвести оценки для будущих экспериментов в новой области энергий LHC, что важно для поиска новых физических явлений.

Проведен детальный анализ дальних корреляций с использованием стандартного генератора событий PYTHIA (версии 6.325 и 6.414), разработаны программные пакеты для моделирования событий как в виде отдельного кода, так и в виде скриптов для программных комплексов ROOT/AHROOT. Выявлены основные факторы, влияющие на качественное понимание явлений, связанных с возникновением и поведением корреляционных функций. Произведена настройка и модификация генератора на основе экспериментальных данных по дальним корреляциям.

Проведен анализ дальних корреляций с использованием партонно-струнной модели в рамках генератора событий PSM (версии 1.0 и 2.0) для ядро-ядерных столкновений. Произведено сравнение с экспериментальными результатами. Произведена модификация генератора с использованием настроенного генератора PYTHIA, получены первые результаты при помощи полученного генератора PSM-2.0.

Исследованы коллективные эффекты взаимодействия цветовых струн в процессах столкновения как ядер, так и протонов. Выявлена сильная зависимость дальних корреляций от интенсивности взаимодействия струн, в разных моделях называемых слиянием, перколяцией, экранировкой, перезамыканием струн. Показана важность коллективных эффектов для описания и понимания экспериментальных результатов. Произведен сравнительный анализ с моделью ЕРЕМ.

Исследованы коллективные эффекты взаимодействия цветовых струн в процессах столкновения как ядер, так и протонов. Выявлена сильная зависимость дальних корреляций от интенсивности взаимодействия струн, в разных моделях называемых слиянием, перколяцией, экранировкой, перезамыканием струн. Показана важность коллективных эффектов для описания и понимания экспериментальных результатов. Произведен сравнительный анализ с моделью ЕРЕМ.

В данной работе были сделаны следующие выводы:

1. На основе обзора существующих экспериментальных данных по (Pt)Nch — Nch корреляции в протон-(анти)протонных и ядро-ядерных столкновениях были выявлены общие основные особенности поведения корреляционной функции (такие как рост коэффициента (Pt)Nch ~ Nch корреляции от отрицательных значений к нулевым и далее к положительным при увеличении энергии столкновений, ступенчатое поведение (Pt)Nch ~ Ncft корреляционной функции, эффекта насыщения при больших множественностях и высоких энергиях столкновений и т.д.), что привело к выводу о существовании единой картины взаимодействия струн подобных процессах в широкой области энергий от 17 до 1800 ГэВ в СЦМ.

2. Анализ особенностей существующих экспериментальных данных позволил сделать вывод о необходимости пересмотра учета коллективных эффектов как в ядро-ядерных, так и в нуклон-нуклонных столкновениях. Важность роли коллективных эффектов взаимодействия струн подтверждена также в анализе некоторых теоретических моделей, таких как модель множественных взаимодействий (ММВ, в составе генератора событий PYTHIA), партонно-струнная модель и модель сливающихся струн (PSM и SF, в рамках генератора событий PSM), а также в рамках эффективной модели обмена померонами (ЕРЕМ).

3. На основе предварительных расчетов и моделирования столкновений при энергиях ВАК сделан вывод о том, что с увеличением энергии столкновений вклад коллективных процессов взаимодействия струн существенно увеличивается за счет увеличения плотности струн на единицу поперечного сечения взаимодействия.

1. Физика элементарных частиц, Окунь Л.Б., 2 изд., Москва, Наука 1988

2. A. Capella et al., Phys. Lett. 81B (1979) 68

3. A. Capella et al., Z. Phys. C3 (1980) 329

4. A. Capella and J. Tran Thanh Van, Z. Phys. CIO (1981) 210

5. A. Capella et al, Z. Phys. C33 (1987) 1452

6. A.B. Kaidalov, Phys. Lett. 116B (1982) 459

7. A.B. Kaidalov and K.A. Ter-Martirosyan, Phys. Lett. 117B (1982) 247

8. B. Anderson, G. Gustavson and C. Peterson, Z. Phys. Cl (1979) 105

9. X. Artru and G. Mennessier Nucl. Phys. B70 (1974) 93

10. B.A. Абрамовский, О.В. Канчели, Письма в ЖЭТФ, т.31, 566, 1980 И] M.A.Braun and C.Pajares, Eur. Phys. J. C16 (2000) 349

11. S. Uhlig et al., Nucl. Phys. B132 (1978) 15

12. K. Alpgard et al. (UA5 collaboration), Phys. Lett., B123 (1983) 361

13. R.E. Ansorge et al. (UA5 collaboration), Z. Phys. C37 (1988) 191

14. R.E. Ansorge et al. (UA5 collaboration), Z. Phys. C43 (1989) 357

15. Т. Alexopoulos et al. (Б735 collaboration), Phys. Lett. B353 (1995) 155

16. A. Capella and A. Krzywicki, Phys. Rev. D18 (1978) 4120

17. A. Capella and J. Tran Thanh Van, Z. Phys. C18(1983) 85

18. A. Capella and J. Tran Thanh Van, Phys. Rev. D29 (1984) 2512

19. T.T. Chou and C.N. Yang, Phys. Lett. 135 (1984) 175

20. S.L. Lim, Y.K. Lim, C.H. Oh and K.K. Phua, Z. Phys. C43 (1989) 621

21. C. Iso and K. Mori, Z. Phys. C46 (1990) 59

22. F.W. Bopp et al., Z. Phys. C51 (1991) 99

23. M.A. Braun, C. Pajares and V. Vechernin, Phys. Lett. B493 (2000) 54

24. A. Bolokhov, M. Braun, G. Feofilov et al. Long-Range Forward-Backward pt and Multiplicity Correlations Studies in ALICE // CERN Internal Note/PHY ALICE-INT-2002-20 1.0

25. ALICE Collaboration (A. Asryan et al.), ALICE PPR Vol.2, CERN-LHCC 2005-030 (2005) 452

26. ALICE Collaboration (A. Asryan et al.), Journal of Physics G, Vol. 32, Number 10 (2006)

27. C.M.G. Latters, Y. Fujimoto, S. Hasegawa, Phys. Rep. 65 (1980) 151

28. N. Armesto, D. Derkach, G. A. Feofilov, "pt-Multiplicity Correlations in a Multi-pomeron Exchange Model With String Collectivity Effects", Ядерная Физика, 2008, том 71, №12, с. 2122-2131; Physics of Atomic Nuclei, 71, No. 12, 2087-2095 (2008)

29. T. Anticic et al. (NA49 Collaboration), Phys. Rev. C70 (2004) 034902

30. A. Breakstone et al. (ABCDHW Collaboration), Phys. Lett. B132 (1983) 463

31. C. Albajar et al. (UA1 Collaboration), Nucl. Phys. B335 (1990) 261

32. F. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 1819

33. C. De Marzo et al., Phys. Rev. D29 (1984) 363

34. G. Arnison et al. (UA1 Collaboration), Phys. Lett. B118 (1982) 167

35. V.V. Aivazyan et al., Phys.Lett. B209 (1988) 103

36. T. Alexopoulos et al, Phys. Lett. B336 (1994) 599

37. А. Асрян, Д. Деркач, Г. Феофилов, Вестник СПбГУ, 2008, Сер. 4, Вып. 2, 3-16

38. T. Sjostrand, L. Lonnblad, S. Mrenna, P. Skands, PYTHIA 6.3 Physics and Manual, hep-ph/0308153, LU TP 03038, August 2003

39. T. Sjostrand, hep-ph/0611247, CERN-LCGAPP-2006-06, November 2006

40. A. Asryan, PSM and PYTHIA Simulations for p-p and Heavy Ions Collisions, 14-th European School of High-Energy Physics 2006, Aronsborg, Sweden

41. A. Asryan, G. Feofilov, Studies of pt-n correlation in proton collisions in the framework of PSM and PYTHIA generators, ALICE Week, Physics Forum, CERN, 11 October 2006.

42. T. Sjostrand, lecture on 2006 European School of High-Energy Physics, Aronsborg, Swedenhttp://home.thep.lu.se/ torbjorn/talks/aronsborg06b.pdf

43. D. Acosta et al., Phys. Rev. D 65 (2002) 072005;

44. M.A. Braun and C. Pajares, Phys. Lett. 287B (1992) 154

45. N.S. Amelin, N. Armesto, C. Pajares and D. Sousa, String Fusion Model: PSM-1.0 User's Manual, hep-ph/0103060

46. N. Amelin, N. Armesto, C. Pajares, D. Sousa, Eur. Phys. J. С 22, 149-163 (2001)

47. N.S. Amelin, M.A. Braun, C. Pajares, Z. Phys. C63 (1994) 507-516

48. N. Amelin, N. Armesto, C. Pajares, D. Sousa, Eur. Phys. J C22 (2001) 149-163

49. N.S. Amelin, M.A. Braun and C. Pajares, Phys. Lett. B306 (1993) 312; N. Armesto, M.A. Braun, E.G. Ferreiro and C. Pajares, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3736;

50. J. Adams et al. (STAR collaboration), Phys. Rev. C73 (2006) 034906

51. The NA49 Large Acceptance Hadron Detector, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 210-244 (1999)

52. NA49 Experiment at CERN SPS http://na49info.cern.ch/Public/detector/

53. The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven National Laboratory http://www.bnl.gov/rhic/55. "The Tevatron" Fermilab report, February 1, 1978 "Fermilab TeV Program" Fermilab report, April 1977

54. Tevatron at Fermi National Accelerator Laboratory http://www-bdnew.fnal.gov/tevatron/

55. LHC at CERN http://lhc.web.cern.ch/lhc/

56. ALICE at CERN LHC http://aliceinfo.cern.ch/