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

п

'ч

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

□034В

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

Санкт-Петербург 2009

003481502

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

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

Григорий Александрович Феофилов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Виктор Анатольевич Абрамовский, доктор физико-математических наук, Александр Михайлович Снигирев

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный

Политехнический Университет

Защита состоится «К 2009 г. в М_ 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 " 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук ___ Власников А.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В конце 2009 года в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН, CERN) планируется запуск Большого адронного коллайдера (БАК, LHC) в режиме протон-протонных столкновений, энергии которых в системе центра масс должны достигать 10 ТэВ при выходе на проектную мощность. В дальнейшем, уже в 2010 году, к экспериментальным возможностям LHC должны добавиться встречные пучки ядер свинца с энергией 3.5 ТэВ на нуклон, а далее - до с 5.5 ТэВ на нуклон.

Детектор ALICE — одна из основных крупнейших экспериментальных установок, подготовленных к работе на БАК, предназначенная для поиска и исследований кварк-глюонной плазмы (КГП). Детектор 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.

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 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 LH С 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 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. Произведено моделирование широкого спектра существующих экспериментальных данных по дальним корреляциям для нуклон-нуклонных и ядро-ядерых столкновений при энергиях от 17 ГэВ до 1.8 ТэВ.

2. Разработано несколько программных пакетов для моделирования столкновений как нуклонов, так и ядер, а также для анализа и обработки экспериментальных данных и результатов моделирования с целью поиска дальних корреляций.

3. Показана важная роль коллективных эффектов как в ядро-ядерных столкновениях, так и в нуклон-нуклонных процессах.

4. Данный анализ позволил также экстраполировать результаты на область энергий LHC. Проведены расчеты дальних (pt)jv^ — Ncд корреляций и сделан ряд предсказаний для эксперимента ALICE для нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновений при энергий ускорителя LHC.

Научная и практическая ценность работы

Результаты анализа данных по корреляции (pt) Nch — Nck, быст-ротным и импульсным распределениям, полученным в нуклон-нуклонных столкновениях, важны для разработки и модификации как теоретических моделей, так и программных генераторов событий. 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 коллаборации^А49 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.), в рамках Ной 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 Балдинском семинаре в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (сентябрь 2006 и 2008 гг.) Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 2 приложений и содержит 87 страниц, 36 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 55 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 струн при столкновениях партонов.

В §1.2 рассмотрена стандартная модель цветовых струн и модели описания их взаимодействия. В простейшей струнной модели [2]- [4] 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 струн растет и они могут перекрываться, образуя кластеры. При этом критическим является вопрос о существовании взаимодействия между перекрывающимися струнами [5].

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 данной 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 [6], являющаяся основой генератора РЭМ. 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. Перколяционная 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 Л^/, определяется как число частиц, зарегистрированных детектором в данном событии в заданной области быстрот вылета частиц. Поперечный импульс р* есть поперечная составляющая импульса частиц.

Дальние корреляции - это зависимости между наблюдаемыми величинами, измеренными в различных, отдаленных друг от друга интервалов 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 Ыси и средний поперечный импульс заряженных частиц, то, изучая данные наблюдаемые событие-за-событием, можно определить (рг)мск — Л^ корреляции как зависимость среднего поперечного импульса в заднем окне от числа частиц в переднем пр. Здесь (рга) — 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 струн 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 [8]:

• 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"глнх>н-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 <7.

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-иуклонным столкновениям при помощи РУТША.

В данной работе были проведены также исследования (р()— ¿Чл корреляций для столкновений рр при помощи более современной версии генератора событий РУТН1А уб.325. Было показано, что и РУТН1А у6.325 с настройками по умолчанию не дает правильного описания корреляционных функций (например, [9,10]).

В связи с этим было проведено исследование влияния эффектов коллективности, присутствующих в РУТША у6.325 на (р«)ли — А^л корреляции. Такой набор Был найден набор значений параметров, который позволил описать pin корреляционные функции для как можно более ши-

Рис. 1: Влияние значения РАТ1Р(85), соответствующего вероятности слияния глюонных струн, на вид (р^Нл - корреляций. РУТША уб.325 моделирование, рр столкновения при' энергии 900 ГэВ.

-ft-ft--Hg-a--й- ,я-и-Й-м ia-£-»- ,l1-i-» ii-^-$-n-S-

Рис. 2: Экспериментальные результаты (белые кружки) и моделирование PYTHIA (закрашенные кружки) столкновений рр при 200, 540 и 900 ГэВ, центральная область быстрот rj < |2.5|.

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)jvc» — Мл корреляции можно получить [9J путем настройки параметров PYTHIA и при усилении роли коллективных эффектов в модели в виде цветовых корреляций глюонных струн [И], 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-струнная модель и сам генератор PSM, основанный на концепции слияния струн [12]. 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 [13,14[ было показано, что при включении эффекта слияния струн основные наблюдаемые величины будут изменяться следующим образом:

Ntotal = (р?>„ = (1)

В §4.3 приведены результаты моделирования для некоторых энергий столкновений ядер свинца и золота. На Рис. 3 представлены результаты моделирования дальних (pt)jvch — Nch корреляций для столкновений РЬРЬ 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 нуклон-нуклонных 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 )— На 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.

Рис. 4: Предсказания дальних (pt)— N^ коррел5щий. Слева рр столкновения при энергии 14 ТэВ и сравнение с моделью ЕРЕМ [7). Справа РЬРЬ столкновения при энергии 5.5 ТэВ на нуклон с учётом и без учёта эффекта слияния струн.

нейшие пути для развития и модификации генераторов событий. Заключение

Коротко сформулированы основные результаты диссертации:

1. Моделирование и анализ данных существующих экспериментов по корреляции (p^Nck — Nch в нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновениях в широкой области энергий столкновения от 17 ГэВ до 1.8 ТэВ указывают на проявление ряда коллективных эффектов, которые могут проявляться в виде ptn корреляций.

2. На основе анализа существующих экспериментальных данных по корреляции (pt)Nch ~ Nch в нуклон-нуклонных столкновениях в рамках генератора событий PYTHIA показана необходимость усиления роли коллективных эффектов в виде цветовых корреляций глюон-ных струн.

3. Проведены расчеты и сделан ряд предсказаний для эксперимента ALICE для нуклон-нуклонных и ядро-ядерных столкновений для энергий ускорителя LHC. В частности, сделаны предсказания для корреляции (p^NcK ~Nch в протон-протонных столкновениях на БАК.

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/AUROOT.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

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, materials of the International Seminars ISHEPP-VIII in Dubna (Russia, September 2006)

5. A. Asryan, G. Feofilov, A.Grebenyuck, A. Ivanov, V. Vechernin, materials of the International Seminars ISHEPP-VIII and ISHEPP-XIX in Dubna (Russia, September 2008)

Список литературы

[1] ALICE Collaboration (A. Asryan et al.), ALICE PPR Vol.2, CERN-

LHCC 2005-030 (2005) 452

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

[3] A. Capeila et al, Z. Phys. C33 (1987) 1452

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

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

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

[7] 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.l2, 2087-2095(2008).

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

[9] 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.

[10] D. Acosta et al., Phys. Rßv. D 65 (2002) 072005;

[11] T. Sjöstrand, L. Lönnblad, S. Mrenna, P. Skands, PYTHIA 6.3 Physics and Manual, hep-ph/0308153, LU TP 03Ö38, August 2003

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

[13] M.A. Braun, С. Pajares and V. Vechemin, Phys. Lett. B493 (2000) 54

[14] 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

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ № 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 20.10.09 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л.1. Тираж 100 экз., Заказ № 1006/с 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 929-43-00.