Быстротная и азимутальная топология корреляций выходов заряженных частиц в pp и Pb-Pb столкновениях в эксперименте ALICE на LHC тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Быстротная и азимутальная топология корреляций выходов заряженных частиц в рр и Pb-Pb столкновениях в эксперименте ALICE на LHC

Специальность: 01.04.16 — Физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005534621

на правах р

АЛЦЫБЕЕВ Игорь Геннадьевич

1 О ОКТ 2013

Санкт-Петербург 2013

005534621

Работа выполнена на кафедре ядерной физики физического факультета СПбГУ

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

JI.B. Краснов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, зам. руководителя отделения ФВЭ ПИЯФ НИЦКИ

В.Т. Ким (ПИЯФ НИЦКИ, г. Гатчина)

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИЯФ МГУ

A.M. Снигирев (НИИЯФ МГУ, г. Москва) Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

У1L/00

Защита диссертации состоится 24 октября 2013 г. в / / на заседании диссертационного совета Д 212.232.16 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу 199034, г. Санкт-Петербург, Средний пр. В.О., д. 41/43, мультимедийная аудитория 304.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан "¡2. -У" {?3 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власников А.К.

Общая характеристика диссертации.

Актуальность темы.

Проводимые в настоящее время на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН эксперименты по протоп-протонным и ядро-ядерным столкновениям при релятивистских энергиях дают уникальную и высокодетализированную информацию о происходящих процессах и обеспечивают возможность всесторонне исследовать поведение адронной материи в эктремальных состояниях. К одному из самых ярких новых экспериментальных результатов последних лет можно отнести явление дальних корреляций в выходе заряженных частиц, обнаруженное в 2010 году событиях с большой множественностью в эксперименте CMS в протоно-протонных столкновениях при энергии 7 ТэВ [1]. Характерная структура двухчастичной корреляционной функции, измеренная CMS - протяженная по быстроте и локазизованная по азимутальному углу, так называемый «ridge» («хребет») - оказалась неожиданно сходной с тем, что было получено ранее в 2007 г. на коллайдере RHIC в тяжелоионпых столкновениях [2]. Принципиальная возможность появления так называемых дальних корреляций в выходе частиц в релятивистских столкновениях адронов была высказана ранее в рамках модели кварк-глюонных струн в работах [3], в том числе, впервые была высказана гипотеза взаимодействующих струн и обоснована важность исследований азимутальных корреляций. Данная гипотеза получила дальнейшее развитие в модели слияния кварк-глюонных струн (SFM, [4]). Модель конденсата цветового стекла [5], развиваемую интенсивно в последнее время, можно отметить как одну их наиболее современных, успешно использованных [G] в описании отмеченного выше явления «ridge» и, в частности, в анализе роли эффектов начального и конечного состояния, которые могут быть в разной степени ответственны за появление потока скоррелировапных частиц. Тем не менее, современная экспериментальная картина дальних корреляций является далеко не полной и в настоящее время продолжаются интенсивные исследования на экспериментальных установках как на БАК, так и RHIC. Детальная программа исследований дальних быстротных и азимутальных корреляций в адронных столкновениях на БАК включена в планы физических исследований эксперимента ALICE [7].

Экспериментальные исследования данных корреляционных эффектов в протон-протонных, протон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях БАК

позволяют получить дополнительную информацию о процессах взаимодействия струн. Так, в частности, теоретические исследования дальних корреляций в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях показывают зависимость коэффициентов корреляции в том числе и от дисперсии числа струн, образующихся в столкновениях [8]. Результаты таких исследований также налагают ограничения на существующие модели Монте-Карло генераторов и важны для настройки таких процессов как мультипартонные взаимодействия (MPI) и перезамыкания цветовых потоков (color reconnection) [9].

Актуальность темы исследования определяется возможностью получения новых данных о корреляциях наблюдаемых величин в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях БАК, что позволяет исследовать начальные этапы образования КГП, а также извлекать информацию, необходимую для поиска физического явления слияния кварк-глюонных струн.

Цели и задачи работы.

Основной целью данной работы является исследование поведения корреляций выхода заряженных частиц в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях па основе анализа данных эксперимента ALICE (на БАК в ЦЕРН), в псевдобыстротных и азимутальных интервалах («окнах»), при различных энергиях сталкивающихся частиц.

Основные задачи данной диссертационной работы:

1. Провести анализ имеющихся экспериментальных данных по протон-протонным столкновениям для различных энергий, извлечь коэффициенты корреляций множественности для разнесенных псевдобыстротных окон. В задачу входит создание соответствующего кода на основе платформы AliROOT.

2. Применяя вариации условий отбора треков и событий, а также монте-карловское моделирование экспериментальной установки, произвести коррекцию полученных значений коэффициентов и оценку систематических погрешностей.

3. Применить процедуру получения коэффициентов корреляций для окон, разделенных как по псевдобыстроте, так и по азимутальному углу.

4. Сравнить поведение полученных экспериментальных значений коэффициентов с данными генераторов событий, интерпретировать результаты на основе феноменологических моделей.

5. Провести анализ экспериментальных данных ALICE по ядро-ядерным столкновениям (Pb-Pb), извлечь коэффициенты корреляций различных типов в разнесенных нссвдобыстротно-азимутальных окнах.

Научная новизна и практическая ценность.

1. Впервые получены значения коэффициентов корреляций множественность-множественность в протон-протонных столкновениях на основе обработки данных эксперимента ALICE в разнесенных псевдобыстротных окнах при трех значениях энергии сталкивающихся пучков л/s =900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ. Выявлена зависимость коэффициента корреляций от размеров и положения псевдобыстротных окон, а также от энергии столкновения.

2. Для корреляций типа множественность-множественность с помощью монте-карловского моделирования и вариаций отбора событий и треков частиц проведены коррекции полученных значений, позволяющие учесть неэффективность экспериментальной установки, и оценены систематические погрешности.

3. Впервые введено разбиение псевдобыстротных окон на азимутальные сектора, для пар окон различных конфигураций рассчитаны и скорректированы коэффициенты корреляции множественности в протон-протонных столкновениях при энергиях л/s =900 ГэВ и 7 ТэВ.

4. Для корреляций множественность-множественность в протон-протонных соударениях для энергий y/s =900 ГэВ и 7 ТэВ произведено сравнение экспериментальных значений коэффициентов с рассчитаными на основе генераторов событий PYTHIA и PHOJET. В случае PYTHIA проведено исследование заложенных в этот генератор процессов и оценен вклад, который они дают в итоговые корреляционные зависимости.

5. Исходя из положений модели независимых источников, построена игрушечная монте-карловская модель, позволяющая на качественном уровне описать экспериментально наблюдаемое поведение корреляций множественности.

6. Впервые получены экспериментальные значения коэффициентов корреляций трех типов (п — п, рт — п, рт — Рт) в столкновениях свинец-свинец при энергии л/s =2.76 ТэВ, исследована их зависимость от взаимного положения и размеров пары окон по псевдобыстроте и азимутальному углу.

Апробация работы.

Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры ядерной физики, кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц, лаборатории физики сверхвысоких энергий НИИ физики им. В.А.Фока физического факультета СПбГУ, на рабочих встречах коллаборации ALICE (ЦЕРН) в 2010-2013 годах, на летней школе MCnet-2012 в ЦЕРН, на конференциях ALICE Physics Week (г. Фраскати, Италия в апреле 2012 г. и г. Падуя, Италия в мае 2013 г.), физическом форуме коллаборации ALICE (июнь 2013 г.), на Балдин-ском семинаре в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, сентябрь 2012 г.), на конференции QFTHEP'2013 (п.Репино, июнь 2013 г.).

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и 5 приложений общим объемом 128 страниц, включая 10 таблиц, 62 рисунка и список цитированной литературы из 75 наименований.

Вклад автора.

Автором было создано ПО для извлечения информации о топологии дальних корреляций из экспериментальных данных эксперимента ALICE, автором создан программный код для расчета систематических неопределенностей и введения корректирующих факторов для коэффициентов корреляций множественности.

Данный ПО был применен автором для анализа экспериментальных данных по протон-протонным столкновениям при энергии 900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ и извлечения коэффициентов корреляций множественности, а также анализа данных по РЬ-РЬ столкновениям при энергии 2.76 ТэВ и извлечения коэффициентов корреляций множественности, множественности и среднего поперечного импульса, и корреляций между средними поперечными импульсами.

Автором проведено исследование механизмов, ответственных за появление дальних корреляций множественности в генераторе событий PYTHIA. Также была построена монте-карловская модель, позволяющая изучать корреляции множественно-

сти при различных механизмах взаимодействия сталкивающихся частиц. На основе этой модели произведена интерпретация полученных экспериментальных результатов.

Автором показано, что при анализе топологии корреляций могут быть разделены вклады ближних и дальних корреляций.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, сформулированы основные задачи диссертации, дается краткое содержание отдельных глав.

В первой главе обсуждается физическая мотивация исследования дальних корреляций в разнесенных быстротных и азимутальных окнах. В §1.1 даются основные определения, вводятся наблюдаемые (множественности, поперечные импульсы и др.) и типы корреляций между ними.

Дальними корреляциями в данной работе называются зависимости между наблюдаемыми величинами, измеренными в различных, отдаленных друг от друга интервалах («окнах») быстрот (либо псевдобыстрот) и азимутальных углов.

Множественность заряженных частиц nch определяется как число частиц, зарегистрированных детектором в данном событии в заданной области быстрот и углов вылета частиц. Поперечный импульс рт есть поперечная составляющая импульса частиц.

Исходя из этих наблюдаемых, даны определения трех типов корреляций:

1- (ifl)nF — nF (сокр. п — п) — корреляции между множественностью в переднем окне и усредненной по событиям множественностью в заднем;

2. (Ptu)nF — nF (сокр. рт — п) - корреляции между множественностью в переднем окне и усредненным по событиям средним поперечным импульсом в заднем;

3- {PtB)PlF—PtF (сокр. Рт—Рт) - корреляции между средним поперечным импульсом в переднем окне и усредненным по событиям средним поперечным импульсом в заднем.

Для корреляций типа п — п коэффициент корреляции bcm-T определяется из

(Пв)пр = о + bcorr • nF , (1)

где nF, пв — множественности заряженных частиц, рожденных в данном событии в переднем и заднем окнах соответственно [10-12].

Альтернативное определение коэффициента корреляции brj>rr возможно прямым вычислением соответствующего коррелятора [12]:

_ (nBnF) - (nB)(nF)

{п%)~(прУ ■ W

В §§1.2-1.3 обсуждаются модели нуклон-нуклонных взаимодейсвий, предсказывающие появление различных типов дальних корреляций, а также их экспериментально проверяемые следствия (модель независимых источников, модель слияния струн, модель конденсата цветного стекла). Обзор основных экспериментальных результатов по дальним корреляциям в рр и АА столкновениях дан в §1.5. Краткое описание алгоритмов и механизмов, заложенных в различные генераторы событий и приводящее к появлению корреляций, дано в §1.6 (PYTHIA, PHOJET для рр, HIJING для А А).

Вторая глава посвящена экспериментальному комплексу ALICE на БАК (LHC). В §2.1 даны основные технические и исторические сведения о БАК, затем в §2.2 описывается эксперимент ALICE. В §2.3 изложены основные направления физической программы эксперимента, в §2.4 — описание детекторных систем экспериментальной установки. Особое внимание уделено обзору тех детекторных систем, которые имеют непосредственное отношение к анализу данных для расчета дальних корреляций.

В §2.5 приведена общая информация о процедуре работы с экспериментальными данными ALICE. В §2.5.1 описаны основные триггеры и критерии отбора событий, в §2.5.2 приведены типы данных для реконструкции и анализа.

Платформа AliROOT, на базе программного кода которой производится анализ данных и другие операции по их обработке, описывается в §2.5.3. AliROOT является расширением программного пакета ROOT для нужд и специфики эксперимента ALICE, детектор и процессы в нем полностью описаны объектно-ориентированным образом на языке С++, созданы и обновляются базы данных калибровок и алайн-мента детектора, обеспечены все необходимые интерфейсы доступа к информации об установке и экспериментальным данным.

§2.5.4 посвящен платформе GEANT, на базе которой производится симуляция отклика установки при пролете частиц через нее. Качество такого моделирования во многом определяет точность оценки эффективности установки, а также позволяет

произвести коррекцию результатов анализа данных на потери в веществе (ионизация, поглощение, перерассеяние и др.), неэффективности регистрации частиц в детекторных элементах, учесть влияние вклада вторичных частиц на результаты анализа.

Задачи обработки больших объемов данных современных экспериментов физики высоких энергий вообще, и эксперимента ALICE — в частности, решаются с помощью распределенных вычислительных систем. В §2.5.5 кратко описана организация такой обработки, рассмотрены уровень локальных вычислительных кластеров (на базе PROOF) и более общий уровень распределенных вычислений GRID.

В третьей главе изложена методика анализа данных эксперимента ALICE с целью извлечения информации о дальних корреляциях.

Описаны выбранные конфигурации интервалов («окон») псевдобыстроты и азимутального угла (§3.1), которые разделяются на несколько наборов с различной шириной и положением по обеим координатам т] и ф. Одна из целей разбиения на разные наборы - исследование поведения дальних корреляций в зависимости от ширины окон, другая - возможность более детального разрешения коэффициентов корреляции в узких окнах. По псевдобыстроте границы окон ограничены аксептансом трековых систем установки ALICE, которые дают достаточную для поставленных целей эффективность регистрации частиц в пределах времяпроекционной камеры

(М < 0.8).

Организация программного кода анализа дальних корреляций описана в §3.2. В §3.3 приведены критерии отбора событий и треков частиц, которые подвергаются анализу. Выбор диапазона поперечных импульсов рт частиц осуществляется исходя из:

1. выбранный диапазон должен быть интересным с точки зрения исследования дальних корреляций (то есть лежать в «мягкой» области рт)',

2. в выбранном диапазоне рт детектор должен обеспечивать приемлемую эффек-тивость и разрешение регистрации частиц.

Этим двум критериям удовлетворяет диапазон рт в пределах от 0.3 до 1.5 ГэВ/с.

В §3.4 описана процедура извлечения из обработанных экспериментальных данных коэффициентов корреляции множественности в протон-протонных столкновениях. Для этих целей используется библиотека LRC, интерактивное средство работы с

данными AliExtractor, а также другой дополнительно разработанный инструментарий.

Полученные коэффициенты затем подвергаются процедурам коррекции (§3.5), то есть расчетам истинных значения коэффициентов путем исключения влияния неэф-фективностей установки. В данной работе коррекции были применены к коэффициентам корреляции множественностей для протон-протонных столкновений. Процедуры коррекции коэффициентов корреляций других типов требуют отдельных детальных исследований (особенно это относится к коррекциям поперечных импульсов), и выходят за рамками данной работы.

Коррекции коэффициентов корреляций множественности b^r проводятся с применением трех относительно независимых процедур, применяемых для каждой пары окон.

1. В первой процедуре полученный экспериментальный коэффициент умножается на отношение значений коэффициентов, полученных через монте-карловское моделирование, в числителе ставится коэффициент корреляции «до» прохождения частицами через установку, в знаменателе — «после», то есть на основании симуляции информации, считываемой с дететоров и с применением тех же критериев отбора, что и при анализе реальных событий.

2. Во второй процедуре путем вариаций критериев отбора треков и событий извлекается набор коэффициентов корреляции, а также средних множественностей <пр> в «переднем» псевдобыстротно-азимуталыюм интервале, значения откладываются на графике (на Рис. 1 разными маркерами обозначены разные варианты отбора), к полученному набору точек применяется линейное фитиро-вание. После этого с помощью монте-карловского моделирования для каждой точки восстанавливаются «истинные» значения множественности <пр>, которые затем проецируются на полученную прямую и определяют соответствующие скорректированные значения коэффициентов, а также коридоры ошибок.

3. В третьей процедуре коррекциям подвергаются непосредственно величины (nBnF), (пв), (nF) и (n2F), скорректированные значения подставляются непосредственно в (2) для расчета Ьа,ТТ.

Описанные процедуры дают набор скорректированных значений коэффициента, по которому вычисляется систематическая ошибка (§3.6). Полученный коэффициент и оценка ошибки являются конечным результатом расчетов для одной быстротно-азимутальной пары окон. Процедуры коррекции применяются ко всем парам окон, выбранным для анализа.

В четвертой главе представлены полученные экспериментальные данные по дальним корреляциям п — п для различных наборов быстротно-азимутальных окон в столкновениях протонов при энергиях у/1 =900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ.

В §4.1 для трех энергий протонных пучков обсуждаются рассчитанные коэффициенты корреляции п — п для пар окон, разнесенных по псевдобыстроте и полных по

с

-SO. 18

то

&.16 о

°0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02

■ corrected coefficient

corrected points!

pp events at is = 7 TeV

4 (-0.6,-0 2; 0.2.0.6)

■pill (0.,.л/2; л/2.т.я) Correctedcofttr-0.188 i 0.004 ! (slat.) - 00) (syst.)

anchor point vertex Z pos 3,10 cm min TPC dusters 40,100 DCA0.1. 2.(1 ruin ITS clusters 0, 4 ITS and TPC refits OPF "soft" cuts

Stand0rdlTSTPCTraoliCuts2O1O(f$! StandaitfTPCOnlyTlackCuts SPO ItracWet SPO_1tr_TPC40 SPD_Itr_DCA2.0

StandardiTSTPCTraokCuis2010(lifj. CORRECTED points using nF-s CORRECTED points from proci

0.25

0.3

0.35

<nF>

Рис. 1: Процедура коррекции и оценки систематических погрешностей для коэффициента корреляции п — п (рр, у/1 =7 ТэВ). Для примера взяты интервалы по 77 (—0.6; —0.2) в заднем окне и (0.2; 0.6) в переднем, по ф (0; 7г/2) — (тг/2]п).

0.6

0.5.. 0.4

•о 0.3 0.2 0.1 0

Рис. 2: Коэффициенты корреляций п — п в событиях рр для полных по азимуту и разнесенных по псевдобыстроте окон, для трех энергий у/в =900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ. Значения коэффициента для 77-окон разных ширин показаны маркерами разных цветов, зазоры между окнами отложены по оси абсцисс.

азимутальному углу (Рис. 2). Исходя из наблюдаемой картины делаются следующие заключения:

1. Корреляции множественности незначительно падают при увеличении псевдо-быстротного зазора между окнами, оставаясь значительными даже при максимальном ^-интервале между окнами.

2. При увеличении ширины псевдобыстротных окон корреляции множественности растут нелинейным образом.

3. Корреляции множественности растут с увеличением энергии протон-протонных пучков с у/И =900 ГэВ до 7 ТэВ.

В параграфе §4.2 в дополнение к псевдобыстротныму вводится разбиение на азимутальные окна, что является естественным расширением исследования в азимутальную область.

На Рис. 3 приведены коэффициенты при разбиении угла на четыре сектора шириной 7г/2 для энергии 900 ГэВ в событиях рр. В дополнение к отмеченным выше тенденциям добавляется новый факт: в противоположных угловых секторах корреляции между двумя окнами не изменяются при разнесении окон по псевдобыстроте,

1 1 I 1 > М " Ф гн1«о.2 • 5Л ■ 0.4 ® &ч » о.в

ф 6т) я 0 8

' • ♦ .

рр 8(45 = 0.9 ТвУ 0.3 < рт < 1.5 (ОвУ/с)

' I ' ' ' I ' 1 ' I ' ' ' I '

• •

рр а^ = 2.76 ТеУ

11'1 ч 11 1 ] 1 1 11 1 111 ■

® ®

рр » 7 Те\/

. I . . . I . I . I I . . I 1 . . I I

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Л дар

1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

1.2

по крайней мере, в пределах исследуемой области \т)\ < 0.8. Б работе приводится аналогичный рисунок для энергии протонов y/s =7 ТэВ, демонстрирующий схожее поведение.

При увеличении числа азимутальных секторов до восьми (с угловой шириной тг/4) разрешается еще более тонкая структура («топология») корреляций по ^координате. Такой расчет проведен для двух значений энергии - 900 ГэВ и 7 ТэВ. Случай 7 ТэВ приведен на Рис. 4. На том же рисунке приводятся линии зависимости коэффициентов, рассчитанных через симуляцию событий в генераторах PYTHIA и PHOJET. Отношение экспериментальных значений коэффициентов к рассчитанным через генераторы приводится в нижней части рисунка, в области с пометкой «ratio».

Для наглядности в §4.2.3 полученные экспериментальные результаты представлены также в «трехмерном» виде Рис. 5(a) и Рис. 5(b) («топология» корреляций множественности). При таком отображении данных хорошо прослеживаются следующие черты поведения: уровень некого постоянного значения коэффициента («плато») и

л gap

Рис. 3: Корреляции п — п в событиях рр при энергии y/s =900 ГэВ для т]-ф интервалов, для которых ф = а относительный сдвиг равен (слева направо) 0, 7г, в зависимости от псевдобыстротного зазора между окнами.

0.08 0.06

0.04 0.02

. ^^^^Ф^р =0 /Т\ --- РуМ» Рбгид1а0 * | — Ру№ш Рвшд1а2011 \ / - ~ РЪо* —" -агпдМсхЮ ГШ 1 . ■ . ■ . ■ Т с^Г \__.> а. - 3" ♦..р-Т ёжяспсЖжж- Ч V рр еуепЬ а! = 7 ТвУ ■ СДЗРООЩГ

щттшшттятшт. шштттш^т

«1 I.

2 0.8

0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5

Рис. 4: Корреляции п — п для набора т]-ф интервалов (рр, =7 ТэВ), в которых интервалы ф имеют ширину в зависимости от псевдобыстротного зазора между окнами.

Рис. 5: «Топология» корреляций п — пв событиях рр, ширина окон по псевдобыстроте 5т] =0.2, ширина окон по углу 6ф =

возвышающися над ним «пик» из повышенных значений коэффициента («ближние» корреляции).

В пятой главе значения полученных коэффициентов корреляции п — п и их поведение сравниваются с тем, что дают генераторы событий и феноменологические модели.

В §5.1 коэффициенты, измеренные в эксперименте, сравниваются с данными генераторов PYTHIA и PHOJET при разных энергиях рр-столкновепий. Обнаруживается некоторое расхождение с экспериментом и выясняется, может ли это расхождение быть связано с различиями в средних множественностях рождающихся частиц, даваемых генераторами и реальным экспериментом. Делается это путем приведения коэффициентов к средней множественности в переднем окне <Пр>. Показано, что и после этой процедуры «очищенные» от эффекта множестенности коэффициенты так же имеют незначительное расхождение с монте-карловскими расчетами.

В §5.2 приведено дополнительное исследование поведения корреляций n — n для соударений рр в генераторе PYTHIA8 с различными вариациями настроек. Выло сгенерировано несколько наборов событий с разными конфигурациями генератора. Показано, что при выключении множественного взаимодействия партонов (MPI) в генерируемых событиях коэффициент корреляций падает до значений, близких к нулю (Рис.6).

В §5.3 интерпретация наблюдаемого поведения корреляций проводится на основе модели независимых источников. Для каждой из энергий 900 ГэВ и 7 ТэВ через экспериментальные значения коэффициентов n — n корреляций рассчитываются параметры модели. Модель позволяет описать наблюдаемое поведение корреляций как при больших зазорах по псевдобыстроте и азимуту между окнами, так и в области «ближних» корреляций, обусловленных, главным образом, струями и распадами резонансов. Длинные пунктирные кривые на Рис. 4 соответствуют расчетам в этой модели.

В §5.4 приведены результаты моделирования на основе игрушечной монте-

I Pythia 8.170 - ТЧдпе 4С All On —-X"- Decays Off

ISR Off ~B~ FSR Off

1 г N®4 Hadronisation Off • V..... MPI Off

1..............f-......

|| т ,,..„ 1..... 1-,... - a- •'•'••-I • • •• 1 1 » >

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 'sep.

Рис. 6: Коэффициент корреляций множественности в разнесенных по rj окнах, в событиях рр с разными настройками генератора PYTHIA8.

карловской модели. Её построение базируется на следующих допущениях: при столкновениях адронов образуются протяженные источники («струны»), излучающие частицы с одинаковой средней плотностью на интервал псевдобыстроты. Как количество источников, так и средняя плотность частиц параметризуются и разыгрываются согласно заданным распределениям, например, прямоугольному распределению или распределению Пуассона. Длина «струн» разыгрывается по Гауссу вокруг некоторого задаваемого значения. Дополнительно каждая частица может породить «распад резонанса» или «струю», которая содержит некоторое распределенное по Гауссу количество частиц с распределенными по Гауссу углами вылета.

Параметризуя такую модель неким образом и генерируя достаточно большой набор событий, можно получить качественную картину «топологии» п — п корреляций, пример приведен на Рис. 7, (а). Введение «закона сохранения энергии» при образовании игрушечных струй и резонансов приведет к появлению невысокого «хребта»

(а) Флуктуирующее число струн (Ь) Фиксированное число струн

Рис. 7: Результат работы монте-карловской модели на основе модели независимых источников с введением «струй» (200000 сгенерированных событий в двух наборах). Первый набор событий (а) - число струн флуктуирует, второй набор (Ь) - число струн фиксировано для всех событий. Остальные параметры подобраны произвольным образом.

Рис. 8: «Топология» трех типов корреляций в событиях РЪ-РЪ для центральных событий, ширина окон по псевдобыстроте 6г/ =0.4, ширина окон по углу 6ф = j.

в противоположных азимутальных окнах, наблюдаемого в эксперименте. Также показано, что при фиксированном числе струн (т.е. при отсутствии флуктуаций в их числе) коэффициенты корреляции близки к нулю в окнах, удаленных от «ближней» области и области заднего «хребта» (Рис. 7, Ь).

Глава заканчивается кратким итогом по интерпретации измеренных п — п корреляций (§5.5).

Шестая глава посвящена результатам обработки экспериментальных данных по столкновениям Pb-Pb при энергии yfs =2.76 ТэВ. В §6.1 обсуждаются отличия процедуры анализа данных по ядро-ядерным столкновениям от случая данных рр. Детальный расчет влияния эффективности установки на результаты этих измерений выходит за рамки данной работы, поэтому приведенные значения коэффициентов корреляций в Pb-Pb столкновениях не содержат коррекций на эффективность установки.

В §§6.2-6.4 обсуждается т)-ф «топология» трех типов корреляций п — п, рт — п и Рт — Рт на основе обработки данных по Pb-Pb столкновениям (Рис. 8). Показаны зависимости коэффициентов от ширины и положения класса центральности. Выявлены нетривиальные детали поведения коэффициентов корреляций, в частности, отрицательные значения коэффициента рт — п в окнах, расположенных под углом ж/2 по азимуту, а также «ложбина» в структуре заднего хребта в корреляциях рт — Рт-

В приложении А кратко описан дополнительный программный инструмента-

рий, который был разработай для работы с расчетами по дальним корреляциям.

В приложении В представлены детали процедуры извлечения коэффициентов корреляций трех типов из профилей, получаемых регрессией накопленных двумерных гистограмм.

В приложении В приведены критерии отбора событий и треков частиц, а также вариации параметров отбора для процедур коррекции и определения систематических погрешностей.

Приложение Г содержит описание использованных в анализе наборов экспериментальных данных ALICE по рр и РЬ-РЬ столкновениям.

Приложение Д посвящено экспериментальной проверке независимости коэффициентов корреляции п — п от ширины заднего окна.

В заключении приведены основные результаты работы. Для корреляций множественности в протон-протонных столкновениях наблюдается рост коэффициента с энергией, его незначительное уменьшение с ростом зазора между окнами по псевдобыстроте и нелинейный рост с увеличением ширины окон. Отмечено, что введение разбиения окон па азимутальные секторы позволяет разделить вклады дальних и ближних корреляций в значение коэффициента. Дальние корреляции проявляют себя в виде «подложки» постоянного уровня значений для разнесенных по псевдобыстроте и азимуту окоп, которая возрастает с энергией. Интерпретация такого поведения может быть дана в рамках модели струн как независимых источников частиц. Монте-карло генераторы PYTHIA и PHOJET, в модели которых также заложены струнные механизмы, подтверждают наблюдаемого поведение.

Корреляции трех типов для столкновений РЬ-РЬ в разнесенных по псевдобыстроте и азимуту окнах также проявляют сложную структуру поведения. Для корреляций Рт — п область отрицательных значений может быть указанием на эффект слияния струн.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан пакет анализа топологии быстротных и азимутальных корреляций заряженных частиц в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях при высоких энергиях.

2. Разработана и апробирована методика расчета коэффициентов коррекции и систематических погрешностей экспериментальных значений коэффициентов корреляции множествености.

3. Выполнен впервые анализ дальних корреляций множественности в эксперименте ALICE по протон-протонным столкновениям для энергий y/s =900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ в разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу окнах, в мягкой части спектра поперечных импульсов (от 0.3 до 1.5 ГэВ/с).

4. Выполнен анализ коррекций и систематических погрешностей дальних корреляций множественности в эксперименте ALICE по протон-протонным столкновениям для энергий y/s =900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ.

5. Разработанные методики измерений коэффициентов дальних корреляций впервые применены к анализу данных эксперимента ALICE по ядро-ядерным столкновениям (Pb-Pb) при энергии y/s =2.76 ТэВ. Впервые получены экспериментальные значения коэффициентов корреляций трех типов (п — п, рт~п,Рт ~Рт) в столкновениях свинец-свинец при энергии y/s =2.76 ТэВ, исследована их зависимость от взаимного положения и размеров пары окон по псевдобыстроте и азимутальному углу.

6. Разработан Монте-Карло генератор («игрушечная» модель) для моделирования топологии быстротных и азимутальных корреляций заряженных частиц в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях при высоких энергиях с целью проверки упрощенных теоретических моделей.

7. Выполнены расчеты топологии дальних корреляций п — п в и Pb-Pb столкновениях в рамках моделей стандарнтых монте-карло генераторов (PYTHIA, PHOJET, HIJING) и в модели независимых струн, результаты сопоставлены с экспериментом.

Выводы диссертационной работы:

1. На основе анализа данных эксперимента ALICE по протон-протонным столкновениям для энергий y/s =900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ в разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу окнах, в мягкой части спектра поперечных импульсов (от

0.3 до 1.5 ГэВ/с), впервые выявлены следующие основные особенности поведения корреляционной функции для нормализованных значений множественности заряженных частиц:

• выявлены существенные значения коэффициентов корреляции множественности,

• коэффициенты корреляции нелинейно растут с увеличением энергии столкновения и с увеличением ширины псевдобыстротных окон,

• коэффициенты корреляции слабо зависят от расстояния между быстрот-ными (и азимутальными) окнами.

2. Исследования топологии дальних корреляций, выполненные для различных конфигураций азимутальных секторов, позволяют разделить вклады от ближних и дальних корреляций. Показано, что вклад ближней компоненты практически не меняется с энергий, а рост коэффициентов корреляций с энергией преобладающим образом определяется дальними корреляциями.

3. Сопоставление экспериментальных результатов с данными монте-карло моделирования (PYTHIA, PHOJET) и с моделью струн как независимых источников частиц, позволяет сделать вывод о том, что вклад дальних корреляций связан с флуктуациями - от события к событию — числа протяженных по быстроте источников, образующихся в столкновениях и являющихся независимыми излучателями частиц. Таким образом, наблюдаемые дальние корреляции в случае нротон-протонных столкновений говорят о существенной роли процессов начального состояния, что важно для последующего анализа дальних корреляций и эффектов начального и конечного состояний в ядро-ядерных столкновениях.

4. На основе анализа данных эксперимента ALICE по ядро-ядерным столкновениям (РЬ-РЬ) при энергии y/s =2.76 ТэВ с использованием разработанной методики впервые получены зависимости от положения окон по псевдобыстроте и азимутальному углу для коэффициентов корреляций трех типов (п — п, рт — п, Рт—Рт)- Выявлены нетривиальные детали поведения коэффициентов корреляций, в частности, отрицательные значения коэффициента ру — п в окнах, расположенных под углом 7г/2 но азимуту, а также сложное поведение коэффициен-

тов корреляций в структуре так называемого «заднего хребта» в корреляциях Рт-Рт-

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые получены для данных эксперимента ALICE в протон-протонных столкновениях при энергиях y/s =900 ГэВ, 2.76 и 7 ТэВ экспериментальные значения коэффициентов корреляций множественности (п — п корреляций) для разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу okheix, в диапазоне поперечных импульсов рт от 0.3 до 1.5 ГэВ/с в области псевдобытрот |т;| < 0.8.

2. Разработаны и апробированы три отдельные методики коррекции полученных значений коэффициентов п — п корреляций, использующие монте-карловское моделирование, вариацию критериев отбора событий и треков частиц, проведено сравнение эксперментальных зависимостей с расчетами на основе генераторов событий PYTHIA и PHOJET.

3. Разработана методика разделения вкладов ближних и дальних корреляций п — п с помощью введения дополнительного разбиения псевдобыстротных окон на азимутальные сектора (методика выявления топологии корреляций).

4. Впервые получены для данных эксперимента ALICE по ядро-ядерным столкновениям (РЬ-РЬ) при энергии y/s =2.76 ТэВ на основе методики выявления топологии корреляций экспериментальные значения коэффициентов корреляций трех типов (п — п, рт — п, рт — Рт), выявлены зависимости коэффициентов от положения окон по псевдобыстроте и азимутальному углу.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. К. Aamodt and others (ALICE Collaboration), Charged-particle multiplicity density at mid-rapidity in central Pb-Pb collisions at y/sNN = 2.76 TeV, Phys.Rev.Lett. 105 (2010) 252301.

2. K. Aamodt and others (ALICE Collaboration), Harmonic decomposition of two-particle angular correlations in Pb-Pb collisions at y/sNN = 2.76 TeV, Phys.Lett. B708 (2012) 249-264.

3. К. Aamodt and others (ALICE Collaboration), Centrality Dependence of Charged Particle Production at Large Transverse Momentum in Pb-Pb Collisions at t/snn = 2.76 TeV, Phys.Lett. B720 (2013), pp. 52-62.

4. G.A. Feofilov, I.Altsybecv, V.V. Vcchernin, S. De, T. Nayak and B. Srivastava, Forward-backward multiplicity correlations in pp collisions in ALICE at y/sNN=0.9, 2.76 and 7 TeV, PoS (Baldin ISHEPP XXI)075, in Proc. of XXI International Baldin Seminar on High-Energy Physics Problems, (Dubna, Russia, September 2012).

5. I. Altsybeev, G. Feofilov, M. Kompaniets, V. Kovalenko, V.Vechernin, I. Vorobyev, A. Zarochentsev, GRID technologies in SPbSU long-range correlations analysis and MC simulations for ALICE, Proceedings of The 5th International Conference «Distributed Computing and Grid-technologies in Science and Education» (Dubna, 2012).

Список цитируемой литературы:

1. CMS Collaboration, http://arxiv.org/abs/1009.4122, J. High Energy Phys. 09, 091 (2010).

2. J. Putschke et al. (STAR Collaboration), J. Phys. G34, S679(2007) ; J. Adams et al (STAR Collaboration) Phys. Rev. C73, 064907(2006); Adams J et al (STAR Collaboration) J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34, 799, (2007).

3. V.A. Abramovslty, O.V. Kanchely, JETP letters, 31, (1980) 566 ; Abramovskii V. A., GedaJin E. V., Gurvich E. G., Kancheli О. V. , Long-range azimuthal correlations in multiple-production processes at high energies, JETP Lett., vol.47, 337-339 , 1988.

4. M. Braun and C. Pajares, A Probabilistic model of interacting strings, Nucl. Phys. 384 B390, 542-558 (1993); N.S. Amelin, N. Armesto, M.A. Braun, E.G. Ferreiro and C. Pajares,Phys. Rev. Lett.73(1994) 2813.

5. L. McLerran, Nucl. Phys. A 699 (2002) 73.

6. A.Dumitru et al., Nuclear Physics A 810, 91-108(2008).

7. ALICE Collaboration, "ALICE: Physics Performance Report" - Volume 2, CERN/LHCC 2005-030; ALICE PPR Volume II, 5 December 2005; CERN. (Journ.Phys.G: Nuclear and Particle Phys., 32 (2006) 1295-2040 (Section: 6.5.15 - Long-range correlations, p. 1749).

8. V. Vechernin, Correlations between multiplicities in rapidity and azimuthally 394 separated windows (2012), 1210.7588.

9. K. Wraight and P. Skands, Eur. Phys. J., C 71 (2011) 1628.

10. A. Capella and J. Tran Thanh van, Phys. Rev. D 29 (1984) 2512.

11. G.J. Alner et al., Phys. Rep. 154 (1987) 247.

12. A.Capella, U.Sukhtame, C.-I.Tan and J.Tran Than Van, Phys.Rep.236 (1994) 225329.

Подписано в печать 18.09.2013 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 440

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

па правах рукописи

niinOiTii?

АЛЦЫБЕЕВ

Игорь Геннадьевич

Быстротная и азимутальная топология корреляций выходов заряженных частиц в рр и Pb-Pb столкновениях в эксперименте ALICE на LHC

Специальность: 01.04.16 «Физика атомного ядра и элементарных частиц»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук.

профессор Л.В. Краснов

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Введение 11

1 Физические мотивации исследования дальних корреляций 24

1.1 Основные наблюдаемые........................................................24

1.2 Струнные модели ..............................................................27

1.2.1 Модель независимых источников....................................32

1.2.2 Модель слияния сгрун ................................................33

1.3 Обзор основных экспериментальных результатов по дальним корреляциям в рр и АА-столкновениях................................................35

1.4 Механизмы возникновения дальних корреляций в генераторах событий 36

1.4.1 PYTHIA..................................................................36

1.4.2 PHOJET ................................................................37

1.4.3 HIJING..................................................................37

2 Эксперимент ALICE на БАК 38

2.1 Большой адронный коллайдер (БАК)........................................30

2.2 Эксперимент ALICE............................................................41

2.3 Детекторные системы..........................................................42

2.3.1 Внутренняя трековая система. (ITS)..................................44

2.3.2 Времяпроекционная камера (ТРС)..................................'15

2.3.3 Другие детекторные системы ........................................46

2.4 Обработка экспериментальных данных ALICE ..............47

2.4.1 Триггеры и отбор событий............................................47

2.4.2 Типы обрабатываемых данных: ESD, AOD, Kinematics .....48

2.4.3 Платформа AliROOT..................................................49

2.4.4 Моделирование установки, платформа GEANT....................49

2.4.5 Обработка больших объемов данных, GRID........................19

3 Методика анализа данных 51

3.1 Выбор интервалов псевдобыстрот и азимутальных секторов для измерения корреляций..............................................................51

3.2 Организация программного кода анализа ..................................52

3.3 Критерии отбора треков и событий..........................................55

3.4 Процедура извлечения коэффициентов дальних корреляций ............58

3.5 Процедуры коррекции..........................................................60

3.6 Оценка систематических погрешностей......................................G3

4 Топология корреляций множественности в протон-протонных столкновениях 65

4.1 Корреляции множественности в окнах, разнесенных по псевдобыстроте 65

4.2 Корреляции множественности в окнах, разнесенных по псевдобыстроте

и по азимутальному .углу......................................................67

4.2.1 Разбиение азимутального угла на секторы шириной тг/2..........67

4.2.2 Разбиение азимутального угла на секторы шириной тг/4..........68

4.2.3 3D-11редставле11ие корреляций множественности....................70

4.3 Результаты анализа корреляций множественности в столкновениях рр 70

5 Сравнение экспериментальных данных по корреляциям множественности в рр—столкновениях с расчетами в генераторах и моделях 72

5.1 Сравнение с расчетами на основе данных из генераторов PYTHIA6 и PHOJET ........................................................................72

5.2 Исследование корреляций множественности в PYTHIAS..................75

5.3 Интерпретация на основе модели независимых источников ..............80

■5.4 «Игрушечная» монте-карловская модель....................................82

5.5 Выводы по интерпретации полученных корреляций множественности

в столкновениях рр с помощью МС генераторов и моделей ..............84

6 Топология корреляций в Pb-Pb столкновениях 88

6.1 Особенности исследования корреляций в ядро-ядерных столкновениях 88

6.2 Корреляции множественности........................ 90

6.2.1 Корреляции множественности в разнесенных по r¡ окнах.....90

6.2.2 Корреляции множественности в окнах, разнесенных по псевдобыстроте и по азимуту ........................ 92

6.2.3 Корреляции множественности в различных интервалах поперечного импульса........................... 95

6.3 Корреляции среднего поперечного импульса и множественности .... 96

6.4 Корреляции между средними поперечными импульсами.........101

6.5 Основные выводы из анализа данных корреляций в РЬ-РЪ столкновениях 105

Заключение 106

Приложение А 109

Приложение Б 112

Приложение В 115

Приложение Г 118

Приложение Д 120

Список иллюстраций

1.1 Схематический вид силовых линий в случаях электромагнитного поля

и цветового поля КХД..........................................................28

1.2 Образование и разрыв цветовой струны......................................28

1.3 Представление движения безмассовых кварка и антикварка в разных системах отсчета................................................................30

1.4 Фрагментация и адронизация цветовой струны в пространственно-временном представлении......................................................31

2.1 Схематическое изображение ускорительного комплекса в ЦЕРН..........10

2.2 Схематический вид экспериментальной установки ALICE..................43

2.3 Схема внутренней трековой системы ALICE..................................44

3.1 Визуальное представление величии 5г/, г/дар и rjsep..............52

3.2 Разбиение пространства псевдобыстрот на окна с разными 5г) и rjgap. . . 53

3.3 Разбиение азимутального угла на сектора....................................54

3.4 Распределение множественности заряженных частиц для рр с энергией

л/s =7 ТэВ, построенное для реальных данных и для генераторов ... 57

3.5 Сравнение значений коэффициентов, полученных двумя методами . . . 59

3.6 Процедура коррекции с помощью монте-карло коэффициентов..........60

3.7 Процедура 2 для коррекции коэффициентов корреляций множественности и оценки систематических погрешностей............................G2

4.1 bcorr в событиях для полных по азимуту и разнесенных по псевдобыстроте окон........................................................................66

4.2 bcorr как функция ширины окон 5rj ..........................................G7

4.3 Коэффициенты корреляций п—п для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу, с делением на четыре угловых сектора, рр,

y/s =900 ГэВ.................................. OS

4.4 Коэффициенты корреляций п—п для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу, с делением на четыре угловых сектора, рр,

y/s =7 ТэВ................................... 09

4.5 Коэффициенты корреляций п—п для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу, с делением на восемь угловых секторов, рр,

y/s =900 ГэВ.................................. 69

4.6 Коэффициенты корреляций п—п для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу, с делением на восемь угловых секторов, рр,

y/s =7 ТэВ................................... 70

4.7 «Топология» корреляций п — п в событиях рр при энергии y/s =900 ГэВ

и 7 ТэВ..................................... 71

5.1 Зависимость коэффициента корреляции п — п в окнах шириной ôr) = 0.2 от зазора г}дар между ними (данные эксперимента, PYTHIA (PerugiaO)

и РНОЛЕТ), в событиях рр для трех энергий ............... 73

5.2 bcorr/(nF) для окоп, разнесенных по пссвдобыстротс и азимутальному углу, с делением на восемь угловых секторов, рр, y/s =900 ГэВ..... 74

5.3 Ьсогг/(nF) для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу, с делением на восемь угловых секторов, рр, y/s =7 ТэВ...... 74

5.4 Отклонение углов вылета «конечных» частиц относительно их «прародителя» в генераторе PYTHIA. y/s =7 ТэВ............... 70

5.5 Поведение bcorr для пар окон, разнесенных по ?/ и полных по азимуту, в сгенерированных в PYTHIA8 (Tune 4С) наборах событий, с несколькими различными настройками процессов в генераторе. Размер окоп ¿77=0.2, диапазон рт при отборе треков 0.3-1.5 ГэВ/с............ 78

5.6 Коэффициенты корреляций п — п в PYTHIA-8 для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному утлу. с делением на восемь угловых секторов, pp. y/s =7 ТэВ......................... 78

5.7 «Топология» корреляций п — п в PYTHIA-8, в событиях рр, y/s =7 ТэВ 79

5.8 Схематическое изображение механизма возникновения дальних корреляций....................................... 80

5.9 Схематическое изображение механизма возникновения ближних корреляций...................................... 80

5.10 Схематическое изображение механизма возникновения ближних корреляций в трехмерном представлении.................... 81

5.11 Сравнение топологий корреляций множественности Ьсогг с диадронны-ми корреляциями в рр столкновениях, полученных в МС модели со струнами как независимыми источниками частиц.............85

5.12 Сравнение топологий корреляций множественности Ьсогг с диадронны-ми корреляциями в рр столкновениях, полученных в МС модели со струнами как независимыми источниками частиц, с отключенными «струями» и «распадами резонансов».................... 80

6.1 Профили, полученные регрессией распределений п — п. для нескольких значений центральности (столкновения РЪ-РЬ)............... 90

6.2 Корреляции п — п для событий РЪ-РЬ для ту-окон шириной 5г]—0.2 как функция зазора г\дар между ними, в классах центральности разного размера и положения.............................91

6.3 Зависимость коэффициента, корреляции п — п от ширины окон бг/ для событий РЬ-РЬ.................................. 92

6.4 Корреляции п — п для событий с центральностью 0-5% для т]-& интервалов (16 угловых секторов).......................... 93

6.5 Сканирование поведения корреляций п — п для событий РЬ-РЬ в интервалах центральности шириной 5% для г)-ф интервалов (16 угловых секторов)..................................... 94

6.6 Коэффициенты корреляций п — п в событиях РЬ-РЬ с центральностью

0-5 и 0-2.5% как функция г]зер для значений 0зер.=О, тг/2 и тт...... 95

6.7 Корреляции п — п для событий РЬ-РЬ с центральностью 0-5%, 0-2.5% и 0-1% для полных ??-окон как функция от фзер. с шириной азимутальных окон дф = в грех интервалах поперечных импульсов частиц рт 0.31.5, 0.2-0.8 и 0.8-4.0 ГэВ/с .......................... 96

6.8 Зависимость коэффициентов корреляций рт — п для событий РЪ-РЪ от ширины и размеров окон............................ 97

6.9 Профили корреляций рт — п для разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу окон (столкновения РЬ-РЬ).............. 98

6.10 Коэффициенты корреляций рт — п для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу, с делением на 16 угловых секторов (столкновения РЬ-РЬ).............................. 99

6.11 Коэффициенты корреляцийрт~п в событиях РЬ-РЬ с центральностью

0-5 и 0-2.5% как функция т]зер. для значений фзер.=0, тг/2 и 7г....... 99

6.12 Сканирование поведения корреляций рт — п для событий РЬ-РЬ в интервалах центральности шириной 5% для 1]-ф интервалов (16 угловых секторов).....................................100

6.13 Корреляции рт — п для событий РЬ-РЬ с центральностью 0-5%, 0-2.5% и 0-1% для полных г]-окон как функция от фзер с шириной азимутальных окон 5ф = |, в трех интервалах поперечных импульсов частиц рт 0.31.5, 0.2-0.8 и 0.8-4.0 ГэВ/'с ..........................101

6.14 Зависимость коэффициентов корреляций рт — рт для событий РЬ-РЬ

от ширины и размеров окон..........................102

6.15 Сканирование поведения корреляций рт — рт для событий РЬ-РЬ в интервалах центральности шириной 5% для интервалов (16 угловых секторов).....................................103

6.16 Коэффициенты корреляций рт~Рт в событиях РЬ-РЬ с центральностью

0-5 и 0-2.5% как функция т]зер. для значений фзер.=0, тг/2 и 7г......104

6.17 Коэффициенты корреляций рт~Рт в событиях РЬ-РЬ с центральностью 0-2.5 и 0-1% для окон, разнесенных по псевдобыстроте и азимутальному углу, с делением на 8 угловых секторов...................104

6.18 Корреляции рт—рт Для событий РЬ-РЬ с центральностью 0-5%, 0-2.5% и 0-1% для полных г/-окон как функция от фзер. с шириной азимутальных окон 5ф — в трех интервалах поперечных импульсов частиц рт 0.3-1.5, 0.2-0.8 и 0.8-4.0 ГэВ/с ........................105

А.1 Окно управления программы АНЕх^а^ог.................110

А.2 Рабочая область программы АИЕх1гас1ог (пример)............111

Б.1 Двумерные гистограммы накопленных пособытийных данных для расчета корреляций (рр, у/в =7 ТэВ, г] интервалы: (—0.8; —0.2) в заднем

окне и (0.2:0.8) в переднем)..........................113

Б.2 Гистограммы, полученные регрессией «облаков» с Рис. Б.1, определение коэффициентов корреляций путем путем линейной аппроксимации

в заданной области...............................113

Б.З Двумерные гистограммы накопленных пособытийных данных для расчета корреляций (РЪ-РЪ, 1/5 =2.76 ТэВ. без отбора по классу центральности, ^-интервалы: (—0.8; —0.6) в заднем окне и (0.6:0.8) в переднем). 111 Б.4 Гистограммы, полученные регрессией «облаков» с Рис. Б.З, определение коэффициентов корреляций путем линейной аппроксимации в

заданной области................................114

В.1 Проверочные распределения, часть 1 (рр, х/й =7 ТэВ)...........116

В.2 Проверочные распределения, часть 2 (рр, у/в =7 ТэВ)..........117

В.З Проверочные распределения, часть 3 (рр, \/з —7 ТэВ)..........117

Г. 1 Схема: наборы г/-окон с фиксированной шириной переднего окна и изменяющейся шириной заднего, и наоборот..................121

Г.2 Независимость коэффициента корреляции п — п от ширины заднего

окна по псевдобыстроте..........................121

Список таблиц

2.1 Параметры БАК................................................................39

2.2 Параметры работы БАК при протон-протонных пучках в 2010-2012 гг. 42

2.3 Основные типы триггеров в оффлайн-режиме, используемые в эксперименте ALICE.................................48

3.1 Наборы ширин 8г), 6ф и расстояний г/дар, одар между окнами, выбранные для анализа дальних корреляций в ALICE. Символ (+) означает, что в набор включены также окна, совпадающие по псевдобыстроте, но не перекрывающиеся по ©............................ 53

3.2 Источники систематических ошибок и их вклады (в %) для измеренных значений bcorr в разнесенных по т] окнах шириной drj -0.2. Ошибки показаны в формате [минимальное значение - максимальное значение]

для каждой пары окон при каждой энергии................64

5.1 Параметры для модели струн как независимых источников, которые

использовались для описания экспериментальных результатов |1). ... 82

6.1 Критерии отбора событий и треков и их вариации, в событиях pp. . . . 116

6.2 Наборы данных для анализа, набранных экспериментом ALICE в рр-столкновениях.................................118

6.3 Наборы данных моделирования для анализа данных рр, соответствующие ранам в Табл. 6.2.............................119

6.4 Наборы данных для анализа, набранных экспериментом ALICE в РЬРЬ-столкновениях..............................119

Введение

Актуальность темы.

Проводимые в настоящее время на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН эксперименты по протон-протонным и ядро-ядерным столкновениям при релятивистских энергиях дают уникальную и высокодетализированную информацию о происходящих процессах и обеспечивают возможность всесторонне исследовать поведение адронной материи в эктремальных состояниях. К одном}' из самых ярких новых экспериментальных результатов последних лет можно отнести явление дальних корреляций в выходе заряженных частиц, обнаруженное в 2010 году событиях с большой множественностью в эксперименте CMS в протоно-протонных столкновениях при энергии 7 ТэВ. Характерная структура двухчастичной корреляционной функции, измеренная CMS - протяженная по быстроте и локазизованная по азимутальному углу, так называемый «ridge» («хребет») - оказалась неожиданно сходной с тем, что было получено ранее в 2007 г. на коллайдере RHIC в тяжелоионных столкновениях. Принципиальная возможность появления так называемых дальних корреляций в выходе частиц в релятивистских столкновениях адронов была высказана ранее в рамках модели кварк-глюонных струн в работах, в том числе, впервые была высказана гипотеза взаимодействующих струн и обоснована важность исследований азимутальных корреляций. Данная гипотеза получила дальнейшее развитие в модели слияния кварк-глюонных струн (SFM). Модель конденсата цветового стекла, развиваемую интенсивно в последнее время, можно отметить как одну их наиболее современных, успешно использованных в описании отмеченного выше явления «ridge» и, в частности, в анализе роли эффектов начального и конечного состояния, которые могут быть в разной степени ответственны за появление потока скоррели-рованных частиц. Тем не менее, современная экспериментальная картина дальних корреляций является далеко не полной и в настоящее время продолжаются инген-

сивные исследования на экспериментальных установках как на БАК, так и RHIC. Детальная программа, исследований дальних быстротных и азимутальных корреляций в адроииых столкновениях па БАК включена в планы физических исследований эксперимента ALICE.

Экспериментальные исследования данных корреляционных эффектов в протон-протонных, протон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях БАК позволяют получить дополнительную информацию о процессах взаимодействия струн. Так, в частности, теоретические исследования дальних корреляций в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях показывают зависимость коэффициентов корреляции в том числе и от дисперсии числа струн, образующихся в столкновениях. Результаты таких исследований также налагают ограничения на существующие модели Монте-Карло генераторов и важны для настройки таких процессов как мультипартонные взаимодействия (MPI) и перезамыкания цветовых потоков (color reconnection).

Актуальность темы исследования определяется возможностью получения новых данных о корреляциях наблюдаемых величин в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях БАК, что позволяет исследовать начальные этапы образования КГП, а также извлекать информацию, необходимую для поиска физического явления слияния кварк-глюонньтх струн.

Цели и задачи работы.

Основной целью данной работы является исследование поведения корреляций выхода заряженных частиц в протон-п