Исследование рождения мезонов в реакции S+Au при энергии 200 ГэВ/нуклон тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

о,

9-

/

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ

ИНСТИТУТ"

ФОКИН Сергей Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЖДЕНИЯ 71° И11'-МЕЗОНОВ В

РЕАКЦИИ 8+Аи ПРИ ЭНЕРГИИ 200/ГэВ/НУКЛОН.

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, В.И. МАНЬКО

профессор

Москва-1998

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА..................................................................................6

Схема эксперимента...................................................................................................................6

Тестовые пучки.........................................................................................................................10

Испытания калориметра промежуточных быстрот..............................................................11

Результаты испытания прототипов фотонного детектора..................................................11

Калибровка фотонного спектрометра....................................................................................16

ИЗВЛЕЧЕНИЕ НЕЙТРАЛЬНЫХ МЕЗОНОВ.........................................................................19

Фотоны.......................................................................................................................................19

Комбинаторный фон.................................................................................................................20

Аксептанс..................................................................................................................................24

"Эффективность"......................................................................................................................26

Переход к инвариантным сечениям........................................................................................30

Систематические ошибки........................................................................................................31

РЕЗУЛЬТАТЫ..............................................................................................................................34

Глобальные переменные...........................................................................................................34

Пионные спектры......................................................................................................................42

Модельные расчеты..................................................................................................................50

Мт скейлинг...............................................................................................................................55

Заключение................................................................................................................................59

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................................60

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................................62

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................................................65

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................................................................68

Введение

В начале 80х годов сначала в Дубне [1], а несколько позже и в Беркли [2] морально устаревшие протонные ускорители стали использовать для получения пучков релятивистских ядер. По-видимому, это время можно назвать временем рождения новой области экспериментальной физики - релятивистской ядерной физики, области, находящейся на стыке ядерной физики и физики элементарных частиц. В 1986 году в Брукхевене на ускорителе AGS стали ускорять ядра 28Si до энергий 14.5 ГэВ/нуклон. С того же года начинается ядерная программа на ускорителе SPS в Церне, работающем при энергии -200 ГэВ/нуклон. Если ранняя стадия развития релятивистской ядерной физики характеризовалась использованием, как старых модернизированных протонных ускорителей, так и старых экспериментальных установок, работавших ранее на физику элементарных частиц, то сегодня ядерная программа составляет значительную часть проектов вновь строящихся ускорителей на встречных пучках: RHIC в Брукхевене и LHC в Церне. На ускорителе КШС запланированы ядра вплоть до Au с энергией в системе центра масс - 200 ГэВ/нуклон, а на LHC будут получены ядра вплоть до РЬ с энергией в ц-системе 6.3 ТэВ/нуклон. В качестве еще одного подтверждения широкого интереса к релятивистской ядерной физике можно привести неполный список "больших" и "средних" экспериментов работавших или продолжающих работать на ядерную программу: Е866, Е891, Е877, Е896, Е864, Е895... - Брукхевен, NA34, NA36, NA44, NA45, NA49, NA50, NA52, WA97, WA98... - Церн. Здесь же можно упомянуть и вновь строящиеся установки - STAR, PHENIX, PHOBOS, BRAHMS, ALICE. При этом следует учитывать, что списочный состав типичного "большого" эксперимента составляет несколько сотен человек из десятков различных организаций и стран.

Столь значительный интерес объясняется возможностями наблюдений "Аномальных" явлений, которые могут проявиться в высоковозбужденной ядерной материи, образующейся при релятивистских ядро-ядерных взаимодействиях. Уже первые экспериментальные данные показали, что ядро-ядерные взаимодействия не могут быть воспроизведены как комбинация отдельных независимых нуклон-нуклонных столкновений.

Так в релятивистских ядро-ядерных взаимодействиях по сравнению с нуклон-нуклонными взаимодействиями наблюдалось:

• Обогащение инклюзивных и полуинклюзивных энергетических спектров в области как больших, так и малых поперечных импульсов.

• Появление коллективных эффектов, например потоков [3].

• Изменение относительного выхода частиц различного сорта: увеличение выхода странных частиц, подавление выхода JЛР частиц...

• Повышенный выход вторичных частиц в близи порога реакции и как экстремальный вариант - подпороговое рождение.

К сожалению, большинство из перечисленных эффектов вряд ли сегодня можно назвать действительно "Аномальными", так как они достаточно хорошо описываются традиционными моделями сильных взаимодействий.1 С эмпирической точки зрения, данные эффекты являются плавными экстраполяциями аналогичных явлений наблюдаемых в адрон-ядерных взаимодействиях.

Правда, тоже можно сформулировать и как значительный успех в создании таких моделей (VENUS [4], RQMD [5], ARC [6], LUCIAE [7], и.т.д.), неплохо описывающих существующие экспериментальные данные. Больше того можно сказать, что данные модели уже стали тем аппаратом, к которому рутинно обращаются экспериментаторы, для того чтобы узнать, а не представляют ли их данные, что-то необычное.

В качестве альтернативного подхода в теоретическом описании ядро-ядерных взаимодействий следует отметить термодинамические модели [8,9], часть из которых ранее с успехом использовалась в физике элементарных частиц. Основой появления данных моделей является удивительная однотипность формы энергетических спектров вторичных частиц, наблюдаемая в адрон-адронных и даже в электрон-позитронных взаимодействиях (шгскейлинг). Более того, зависимость аналогичная температурной зависимости, также наблюдается в абсолютных выходах частиц различного сорта [10]. Законность применения термодинамического описания к системам, состоящим из ограниченного числа частиц, является весьма спорной. Однако успешная работа данных моделей уже в адрон-адронных взаимодействиях порождает надежду на действительное достижение термодинамического и может быть даже химического равновесия при столкновении достаточно больших ядер.

Переход от адрон-адронных взаимодействий к ядро-ядерным взаимодействиям привел к заметным модификациям данных моделей. В качестве примера можно указать на введение в некоторые варианты термодинамических моделей поперечного потока. С помощью, которого часто объясняют отклонения от ш(-скейлинга: рост "температур" с ростом массы регистрируемой частицы, а также при увеличении размеров излучающей системы. В пользу существования таких потоков так же говорит то, что характерный размер источника, измеренный с помощью НВТ-эффекта, превышает размер взаимодействующих ядер.

Говоря о теоретической и экспериментальной релятивистской ядерной физики сегодня просто невозможно не упомянуть о кварк-глюонной плазме (КГП) -состоянии вещества, в которое переходит "нормальное" ядерное вещество при плотностях в 5-10 раз превышающих нормальную ядерную плотность. О состоянии, в котором происходит деконфаймент и приближенное

1 Возможным исключением являются последние результаты по выходу 1/4* частиц в реакции РЫ-РЬ. [11а]

восстановление кириальной симметрии. Особую пикантность данному вопросу придают некоторые теоретические расчеты, говорящие о возможности обнаружения КГП в реакциях с тяжелыми ядрами РЬ уже при энергии существующего ускорителя SPS.

С точки зрения значимости данной проблемы весьма симптоматично название регулярных международных конференций по ультрарелятивистским ядерно-ядерным столкновениям - "Кварковая материя 96" [11], труды которой достаточно полно отражают состояние дел в релятивистской ядерной физике.

Цель работы.

Основной целью данной диссертации является изучение реакции 32S + Au при энергии 200 ГэВ/нуклон, измерение выходов тс° и tj - мезонов в данной реакции и сравнение полученных результатов с существующими теоретическими моделями. Эксперимент проводился на ускорителе SPS в Церне.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 3х глав, заключения и приложений: Диссертация содержит 69 страниц текста, в том числе 14 таблиц и 44 рисунка. Список использованной литературы содержит 59 наименований.

В первой главе описывается экспериментальная установка, приводятся ее основные параметры. Здесь же приводятся результаты, полученные на тестовых пучках, и описывается процедура калибровки фотонного спектрометра.

Во второй главе описывается процедура обработки экспериментальных данных. В этой же главе описывается метод вычисления эффективности регистрации нейтральных мезонов с учетом условий высокой множественности.

В третьей главе приводятся измеренные тс° и т] спектры. Проводится сравнение с рядом моделей.

В заключении кратко формулируются основные выводы.

В приложении приведены таблицы измеренных инвариантных сечений рождения и Г| - мезонов в реакции S+Au. Также здесь приведены формулы, использованные для расчетов по геометрическим моделям и гидродинамической модели Ландау.

Положения, выносимые на защиту:

• Методика калибровки фотонного спектрометра.

• Методика вычисления комбинаторного фона.

• Методика вычисления эффективности регистрации нейтральных я0 и т| мезонов

Инвариантные дифференциальные сечения выходов нейтральных л;0 и Т| -мезонов.

Апробация работы и публикации

Работы, положенные в основу диссертации докладывались на семинарах и на конференции в ИОЯФ РНЦ "Курчатовский институт". Данная работа была также представлена на международной конференции в Санта-Фе (1996).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Н.Н. Gutbrod,et al. Proposal for a large acceptance hadron and photon spectrometer.

CERN Geneva - CERN-SPSLC-91-17 (91/05,rec.Jul.) 87p. CERN Geneva - CERN-SPSLC-P-260 (91/05,rec.Jul.) 87 p.

2. S.Fokin, M.Ippolitov, A.Lebedev, V.Manko. Extraction of 7C°

and T| contens from two-photon invariant mass spectra by reconstructing the combinatorial background with the method of mixing photons from different events.

GSI Sc.Report 1992 (Marchl993) ISSN 0174-0814

3. A. Lebedev et al., Comparison of 7t° and t| spectra from S+Au collisions at 200 GeV/micl., NucL Phys. { A566} 355c (1994), Proceedings of the 10th International Conference on Ultra-Relativistic Nuclear Collisions (Quark Matter-93), Borlaenge, Sweden,

June 20-24, (1993)

4. H. Loehner, et al, Photons and neutral mesones from hot hadronic matter. Acta Phys.Polon.B25:503-519,(1994)

5. R. Albrecht et al., Production of mesons in 200 AGeV S+S and S+Au reactions,

Physics Letters {B361} p. 14.(1995)

6. R. Albrcht et al., Transverse momentum distributions of neutral pions from nuclear collision at 200 AGeV,

Europen Physical Journal C5, 255-267(1998)

Экспериментальная установка

WA80

ZDC

Фотонный Спектрометр Вето-детектор

MIRAC

Схема эксперимента

Настоящая диссертация выполнена на материале, полученном в эксперименте WA80.

32

В работе использовался пучок ядер S с энергией 200 ГэВ / нуклон и интенсивностью порядка 106 ионов за цикл, полученный в канале НЗ ускорителя SPS (Церн). На рис. 1 представлена схема модернизированной установки WA80 . Установка состояла из следующих систем: пучковых детекторов, мишени, фотонного спектрометра, вето-детектора, калориметра промежуточных быстрот (MIRAC) и калориметра нулевого угла (ZDC).

Пучковые детекторы и мишень

Рисунок 1. Схема установки WA80

По сравнению со старой версией установки [12] здесь было утроено число модулей в фотонном спектрометре, заново организован вето-детектор, убран детектор -"Plastic Ball". С целью уменьшения загрузки фотонного спектрометра расстояние между ним и мишенью было увеличено до 9 метров. Соответственно калориметры промежуточных быстрот и нулевого угла были отодвинуты от мишени на расстояние 11.25 и 13.85 метров.

В качестве мишени использовалась золотая фольга толщиной 250 мг/см2, что составляет 0.13% от длины ядерного взаимодействия. До мишени пучок проходил через два тонких кварцевых черенковских счетчика толщиной 0.3 и 1.0мм, находившихся на расстоянии 1.01 и 0.87 метров от мишени. Амплитудные спектры с данных счетчиков позволяли контролировать заряд налетающего ядра.

Чтобы исключить случаи взаимодействия налетающего ядра до мишени, использовались два гало-детектора, имевшие в центре отверстие для пучка диаметром 30мм и 120мм. Данные гало-детекторы находились на расстоянии 0.37 и 4.08 метра от мишени.

Фотонный спектрометр [13,14] состоял из 3х башен (TOWER1, TOWER2, SAPHIR) , располагавшихся полукругом. Геометрически спектрометр перекрывал более 50% по азимутальному углу в интервале псевдобыстрот от 2 до 3. Для простоты изготовления башни были собраны в виде вертикальных стенок. Угол разворота башен относительно пучка составлял приблизительно 10 градусов. Этот угол подбирался так, чтобы центр каждой башни соответствовал нулевому углу падения вторичных частиц. Две первые башни, изготовленные в РНЦ "Курчатовский Институт", располагались по сторонам от пучка и содержали по 1260 модулей из свинцового стекла марки ТФ-1. Третья

более старая часть спектрометра (SAPHIR), изготовленная в Германии, находилась снизу от пучка и содержала 1278 модулей из свинцового стекла марки SF-5. В таблице 1 можно найти основные характеристики указанных модулей. Каждый модуль сначала был обернут двойным слоем алюминизированного майлара толщиной 10 мкм, а затем заварен в непрозрачный полиэтилен толщиной 0.1 мм. Сигнал снимался заднего торца модуля с помощью фотоумножителя. Для улучшения условий светосбора была использована силиконовая смазка Dow Corning Q2-3067. Для мониторирования спектрометра использовались газовые азотные лазеры с длиной волны 337 нм и длительностью 300 пс. Свет от лазера проводился кварцевому оптическому волокну к светораспределительному устройству, в котором свет расширялся и конвертировался в голубой цвет - 420 нм. С помощью оптических волокон конвертированный свет разводился к передней поверхности каждого модуля и к реферным фотоумножителям. Эти же реферные фотоумножители просматривали кристаллы NaJ(Tl) с добавкой 241Ат. Дня надежности каждая башня имела, по крайней мере, два реферных фотоумножителя. Использование светопоглащающих фильтров позволяло контролировать интенсивность света.

Таблица 1 Характеристики модулей фотонного спектрометра.

Марка стекла ТФ-1 SF-5

Поперечное сечение 40x40 мм2 35x35 мм2

Длина 400 мм. (14 Хо) 460 мм. (18 Хо)

Средний поперечный 40.95 мм2 35.95мм2

размер модуля, с учетом

оберточного материала и

зазоров

Плотность стекла 3,86 г/см3 4.08 г/см3

Мольер овский радиус 3.68 см 3.5 см

Коэффициент 1,648 1,673

преломления

Радиационная длинна Хо 2,8 см 2,6 см

Длина ядерного 38. см 37.7 см

взаимодеиствия

Содержание окиси 50% 55%

свинца

Критическая энергия 16 МэВ 16 МэВ

Длина поглощения для 7 - 15 м 7 - 15 м

белого света

Тип фотоумножителя ФЭУ-84 ХР2972РЬ

количество динодов 12 10

квантовая эффективность фотокатода 20% 26%

материал фотокатода ЗЬКС5 вЪЫМаЖ*

420 нм 400 нм

0[тш! 0.057 0.065

Вето-детектор [15] представлял собой две плоскости из стримерных трубок, аналогичных типу, описанному в работе [ 16], расположенных перпендикулярно к пучку на расстоянии 8.7 м. от мишени. Каждая плоскость состояла из 20000 элементов, размер которых с увеличением расстояния до пучка менялся от 1.0 мм * 2.6 мм до 2.1 мм. * 5.2 мм. С каждого элемента снимался сигнал типа "да/нет"

Калориметр промежуточных быстрот [17] (МШАС) состоял из четырех прямоугольных блоков с поперечным размером 132 см * 120 см, которые располагались на расстоянии 11.25 м. от мишени, так чтобы в центре оставалось пучковое отверстие размером 7.5 см * 7.5 см. Каждый блок вертикально разделялся на 6 подблоков, которые в свою очередь делились на 6 модулей размером 20 см. * 20 см. Модуль представлял собой многослойный детектор - сцинтилятор / поглотитель, разделенный на 2 секции: электромагнитную и адронную. В передней, электромагнитной секции (15.6 рационных длин или 0.8 длин ядерного поглощения) в качестве поглотителя использовались свинцовые пластины. В адронной секции (6.1 длин ядерного поглощения) поглотитель был изготовлен из железа. Свет от сцинтиляторов через шифтеры и световоды, расположенные по бокам модуля, подавался на фотоумножители, расположенные в задней части модуля. Система мониторирования аналогична системе используемой в фотонном спектрометре.

Калориметр нулевого угла (ЪТ>С) [18] с поперечным сечение 60 см * 60 см находился на расстоянии 13.25 м от мишени. Калориметр представляет собой "сэндвич" из урановых и сцинтилляционных пластин. Свет от сцинтиляторов с помощью шифтеров и световодов подавался на фотоумножители отдельно с передней (электромагнитной - 20.3 радиационных и 0.75 ядерных длин) и задней (ядерной - 9.6 ядерных длин) секций. Ка�