Исследование рождения нейтральных пионов в реакции 158ГэВ/нуклон 208Pb+208 Pb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение.

1. Глава 1. Релятивистская ядерная физика и кварк-глюонная плазма.

1.1 Теория сильного взаимодействия.

1.2 Кварк-глюонная плазма.

1.3 Возможные наблюдаемые сигналы от КГП.

1.4 КГП и спектры нейтральных пионов

2. Глава 2. Экспериментальная установка WA - 98.

2.1 Схема экспертамента.

2.2 Ускорительный комплекс SPS в ЦЕРН.

2.3 Триггерные счетчики нулевого уровня.

2.4 Мишени.

2.5 Детектор PlasticB all.

2.6 Детекторы измерения множественности.

2.7 MIR АС и ZDC калориметры.

2.8 Измерение координат и времени пролета.

2.9 Триггера и система сбора данных.

2.10 Вето детектор заряженных частиц CPV.

3. Глава 3. Фотонный спектрометр эксперимента WA-98.

3.1 Модуль фотонного спектрометра.

3.2 Супермодуль фотонного спектрометра.

3.3 Высоковольтная система фотонного спектрометра.

3.3.1 Делители ФЭУ.

3.3.2 Описание высоковольтного контроллера.

3.4 Система считывания фотонного спектрометра.

3.5 Система мониторирования.

4. Анализ экспериментальных данных.

4.1 Калибровка детектора. Процедура коррекции коэффициентов усиления.

4.1.1 Прекалибровка и времянезависимый коэффициент усиления.

4.1.2 Коррекция коэффициента усиления.

4.2 Энергетическое и пространственное разрешения фотонного спектрометра.

4.3 Линейность.

4.4 Коррекция координаты попадания фотона

4.5 Реконструкция фотонов.

4.5.1 Алгоритм выделения кластеров и разделения кластеров на хиты.

4.5.2 Реконструкция координаты хита.

4.6 Идентификация ливней.

4.7 Реконструкция нейтральных мезонов.

4.7.1 Распределение по инвариантной массе.

4.7.2 Определение фона.

4.7.3 Вычисление выхода к

4.8 Эффективность реконструкции л;0.

4.9 Аксептанс спектрометра.

4.10 Систематические ошибки.

4.11 Отбор событий.

5. Результаты.

5.1 Спектры л0 мезонов. Зависимость от центральности.

5.2 Сравнение с данными других экспериментов.

5.3 Сравнение эксперимента с модельными предсказаниями.

5.3.1 Сравнение эксперимента со струнными моделями.

5.3.2 Гидродинамическая модель. Извлечение параметров системы в конечном состоянии.

Ядерная физика тяжелых ионов при энергиях пучков менее 30 МэВ/нуклон является уже сложившейся областью ядерной физики. Основными видами взаимодействий ядер в этой области являются реакции перераспределения нуклонов, кулоновские возбуждения ядер и другие. Изучение ядерных реакций в этой области энергий связано, в основном, с изучением структуры конкретных ядер и с изучением ядерной материи в условиях, близких к нормальным- температуре Т = Т0= 0 и плотности р = ро -0,17 Фм

Повышение энергий сталкивающихся ядер означает переход от изучения свойств и структуры уровней отдельных ядер к решению задач, связанных с изучением наиболее фундаментальных свойств ядерной материи исследованию ее уравнения состояния.

Ядро- ядерные столкновения в диапазоне высоких энергий (выше или порядка нескольких ГэВ/нуклон) изучались ранее в космических лучах [1,2]. Однако широкий спектр первоначальных энергий и масс налетающих частиц приводят к трудностям идентификации и делают такие эксперименты малоэффективными.

В последние годы успехи в ускорении ядер до высоких энергий , достигнутые в Дубне (ядра до 19F, энергия 3,6 ГэВ/нуклон), Брукхейвенской

197 национальной лаборатории BNL, США (ядра Au, энергия до 14,5 ГэВ/нуклон) и в ЦЕРН (ядра 208РЪ, энергия 158 ГэВ/нуклон) и в других ускорительных центрах привели к возникновению новой области ядерной физики - релятивистской ядерной физике.

По-видимому, взаимодействия ядер высоких энергий позволяют в лаборатории воспроизводить условия, существовавшие в момент рождения вселенной - во время т.н. большого взрыва и определить уравнение состояния ядерного вещества в широком диапазоне плотностей и температур вдали от точки равновесия ядерного вещества. Используя тяжелоионные пучки для взаимодействия с тяжелыми ядрами мишени можно надеяться получить высокие значения плотностей и давлений ядерного вещества, позволяющие осуществить фазовый переход от адронной материи в состояние кварк-глюонной плазмы (КГП) [3-4], предсказываемый квантовой хромодинамикой[5,6].

Цель работы.Основной целью данной диссертации является изучение реакции 158А ГэВ 208РЬ+208РЬ, измерение выходов и спектров нейтральных пионов, сравнение с существующими теоретическими моделями и определение параметров образовавшейся системы в конечном состоянии (freezeout). Эксперимент проведен на ускорителе SPS в ЦЕРН.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основная часть диссертации содержит 110 страниц текста, в том числе 7 таблиц и 46 рисунков. Список использованной литературы содержит 118 наименований.

Основные результаты диссертационной работы таковы:

Разработан высоко гранулированный электромагнитный калориметр большой площади, состоящий из 10080 детекторов на основе свинцового стекла.

Разработана методика калибровки и контроля высоковольтного питания фотонного спектрометра.

Разработана методика анализа экспериментальных результатов, позволяющая определять комбинаторный фон в распределении по инвариантной массе двух фотонов. Данный метод определения фона позволяет расширить диапазон определения выхода нейтральных пионов, особенно в области малых поперечных импульсов. Этот метод позволяет определять выходы нейтральных пионов вплоть до отношений сигнал/фон в 0.2%.

Разработана методика вычисления эффективности регистрации нейтральных пионов в условиях высокой множественности методом наложения смоделированного л0 на экспериментально измеренное событие.

Измерены инвариантные сечения выхода нейтральных пионов в реакции 208РЬ+208РЬ в широком диапазоне быстрот и поперечных импульсов .

Проведен анализ экспериментальных данных на основе существующих моделей, найдены параметры системы в конечном взаимодействии (ГгеегеоШ), экспериментальные данные свидетельствуют в пользу возможного термодинамического механизма испускания нейтральных пионов в исследуемой реакции в случае центральных взаимодействий.

В заключение автор хотел бы выразить благодарность Владиславу Ивановичу Манько за научное руководство и всему коллективу лаборатории ЛИВСЯ ИОЯФ за полезные обсуждения и плодотворные дискуссии.

Я также благодарен всем членам коллаборации \УА98, без участия которых проведение эксперимента было бы невозможно.

Заключение.

1. Е. Juliusson, Astroph. J. 191 (1974) 331

2. Y. Judith et al., Astroph. J. 246 (1981) 1014

3. J.C. Collins and M.J. Perry, Phys. Rev. Lett. 34 (1975) 151

4. E.V. Shuryak, Phys. Rep. C61(1980) and CI 15(1984) 151

5. T.D. Lee, Nucl. Phys. A590 (1995) 11c

6. M. Stepanov, K. Rajagopal and E. Shuryak, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4816.

7. J.I. Freadman and H.W. Kendall, Ann. Rev. Nucl. Sci. 22 (1972) 203.

8. A. Chodos et al., Phys. Rev. D 9 (1974) 3471.

9. C. Quigg, Gauge Theories of the Strong, Weak, and Electromagnetic Interactions, Benjamin Cummings Publishing Co., London, 1983.

10. J.B. Kogut, Rev. Mod. Phys. 55 (1983) 775.

11. H.Meyer-Ortmanns, Rev. Mod. Phys. 68 (1996) 473.

12. C. DeTar, Quark Gluon Plasma, 2 ed. R.C.Hwa (World Scientific) 1995.

13. T. Celic et al., Z. Phys. C22 (1984) 301.

14. S. Gotlieb et al., Phys. Rev. D35 (1987) 3972.

15. J. Engels et al., Phys. Rev. Lett B252 (1990) 625.

16. F.R. Brown et al., Phys. Rev. Lett. 65 (1990) 2491.

17. S. Weinberg, The First Three Minutes, Basic Books, N.Y. (1997).

18. N.K. Glendenning et al., Phys. Rev. Lett. 79 (1977) 1603.

19. Л.Д. Ландау, Изв. Акад. Наук СССР, 17 (1953) 51.

20. J.D.Bjorken, Phys. Rev. D27 (1983) 140.

21. Ю.А. Тарасов, Препринт ИАЭ-4356/2, Москва, 1986.

22. L.D. McLerran and Т. Tomeila, Phys. Rev. D31 (1985) 545.

23. E.L. Feinberg, Nuovo Chim. A34 (1976) 391.

24. J.I. Kapusta et al., Phys. Rev. D47 (1993) 4171.

25. M.M. Aggarwal et al., Direct Photon Production in 158 A GeV 208pb +2o8pb CollisionS5 preprint nucl-ex/0006007 11 June 2000.

26. R. Albrecht et al., Z. Phys. C51 (1991) 1.

27. J.D. Bjorken, Acta Phys. Pol. B23 (1992) 637.

28. A.A. Anselm, N.G. Ryshkin, Phys. Lett. B266(1991) 482.

29. J.D. Bjorken, Int. J. Mod. Phys. A7 (1992) 4189.

30. K. Rajagopal, F. Wilczek, Nucl. Phys. B399 (1993) 395, Nucl. Phys. B404 (1993) 577.

31. J.V. Steele and V. Koch, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4096.

32. G.M. Lattes etal, Phys. Rep. 65 (1980) 151.

33. J. Rafelski and В. Muller, Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 1066.

34. P. Koch, B. Muller and J. Rafelski, Phys. Rep. 142 (1985) 167. J. Rafelski, Phys. Rep. 88 (1982) 331.

35. C. Borman et al., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 23 (1997) 1817.

36. T. Matsui and H. Satz, Phys. Lett. B178 (1986) 416.

37. F. Karsch, M.T. Mehr and H. Satz, Z. Phys. C37 (1988) 717.

38. M.M. Aggarwal et al., Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 926. T. Peizmann et al., Nucl.Phys. A661 (1999) 191c.

39. M.M. Aggrawal et al., Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4087. M.M.Aggarwal et al., Nucl. Phys. A638 (1998) 147c.

40. K. Reygers et al., Czech. J. Phys. 48 (1998) 75.

41. X-N Wang and M. Guylassy, Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 1480

42. L.Van Hove, Phys. Lett.ll8B (1982) 138.

43. N. Angert et al., CERN Heavy Ion Facility Design Report, CERN 93-01, 1993.

44. I. Chujo et al., Nucl. Instr. And Meth. A389 (1996) 409.

45. A. Baden et al., Nucl. Instr. And Meth. 203 (182) 189.

46. W. Lin et al., Nucl. Instr. and Meth. A389 (1997) 145.

47. E. Gatti and P. Rehak, Nucl. Instr. and Meth. 225 (1984) 299.

48. G.J. van Niewenhuizen et al., Proposal for the Mechanical Design of Two Si-Drift Detectors for the WA98 Experiment, WA98 Internal Report, Gronongen, 1994.

49. M.M. Aggraval et al., Preprint hep-ex/9807026.

50. M.M. Aggraval et al., Nucl. Instr. and Meth. A424 (1999) 395.

51. T.C. Awes et al., Nucl. Instr. and Meth. A279 (1989) 479.

52. B.A. Арефьев и др., Краткие сообщения ОИЯИ №5 (79)-96, стр. 15.

53. M. Izycki et al., Nucí. Instr. and Meth. A310 (1991) 98. A. Angelis et al., Nucí. Phys. A566 (1994) 605c.

54. M. Kurata and S. Nishimura, Analysys of Russian TOF data 95, WA98 Internal Report, Tsukuba , 1996.

55. L. Carien et al., Nucí. Instr. and Meth. A412 (1998) 361.

56. L. Carien et al., Nucí. Instr. and Meth. A413 (1998) 92.

57. L. Carien et al., Nucí. Instr. and Meth. A431 (1999) 123.

58. Y.Y. Lee, The Trigger System for WA98. Preprint GSI 94-1,1995, p.295, Darmstadt, Germany

59. B.W. Kolb and M.L. Purschke, QDAC, The Data Acquisition for WA98, Preprint GSI 94-1, 1995, p.291, Darmstadt, Germany.

60. C.Barlag et al., Preprint GSI 94-1, 1995, p.296.

61. C. Barlag et al., Nucl. Instr. and Meth. A406 (1998) 299. E. larocci, Nucl. Instr. and Meth. 217 (1983) 30.

62. M.M. Aggarwal et al., Nucl. Phys. A610 (1996) 200c.

63. В.П. Зрелов. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий, Атомиздат, 1968.

64. G. Bathow et al., Nucl. Phys. B20 (1970) 592.

65. L.Hubbeling. A Low Power, High Frequency DC-DC Converter for

66. Generation High Voltages. CERN/EP Internal Report 75-8, 1978

67. S. Neumaier et al., Nucl. Instr. and Meth. A360 (1995) 593.

68. L. Wu et al., Report VPI-IHEP-91/1.

69. S. Ann et al. FERMILAB-Conf-91/310.65. Zeus Status Report 1993.

70. L. Hubbeling. Large Photomultiplier Systems-A New Approach,1. CERN/ECP 92-10.

71. J.D. Cockroft and E.T.S. Walton, Proc.R. Soc. London A137 (1932) 229.

72. A.L. Wintenberg et al., Monolithic Circuits for Lead-Glass Calorimetry, Proc. of Electronics for Future Colliders conf., Le Cray corp. (1994).

73. T. Petzmann et al, Nucl. Instr. and Meth. A376 (1996) 368.

74. T. Mouthuy et al., Analysis for GAMS 4000. CERN preprint CERN/EP/NAl2/AP/jr, CERN, Geneve, 1985.

75. S. Doinskov et al., Preprint IHEP 85-80, 1985, Protvino, Russia.

76. T. Peitzmann et al., Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. Sect. A376 (1996) 368.

77. F. Berger et al., Nucl. Instr. and Meth. A321 (1992) 152.

78. G.A. Akopdjanov et al., Nucl. Instr. and Meth. 140 (1977) 441.

79. T.C. Awes et al., Nucl. Instr. and Meth. A311 (1992) 130.

80. V.A. Davidov et al., Nucl. Instr. and Meth. 145 (1977) 267.

81. W.R. Leo, Techiques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag, Berlin 1987.

82. C.W. Fabjan, Experimental Techniques in High Energy Physics,

83. Addison-Wesley Publishing Co., Menlo Park 1987. 78. A. Lebedev et al., Investigation of Photon Spectrometer Prototype Properties, Preprint IAE-5731/2, 1994.

84. Eur. Phys. J. C 3 (1998) 25

85. P.D. Higgins et al., Phys. Rev. D19 (1977) 65.

86. G. Jancso et al., Nucl. Phys. B124 (1977) 1.

87. Yu. Dubovik et al., WA-80/93-01 internal report, 1993, CERN.

88. R. Brun et al., Geant 3, CERN DD/EE/84-1

89. S. Nagamiya et al. Phys. Rev. C24 (1981) 971.

90. E. Scneidermann et al., Phys. Rev. C48 (1993) 2462.

91. P. Braun-Munzinger et al., Phys. Lett. B344 (1995) 43.

92. J. Bachler et al., NA35 collaboration Phys. Rev. Lett. 72 (1994) 1419.

93. B. Alper et al. Nucl. Phys. B100 (1975) 237.

94. C. Demarzo et al. Phys. Rev. D36 (1987) 16.

95. R. Albrecht et al. WA80 Collaboration, Eur. Phys. J c5 (1998) 255.

96. R. Albrecht et al. WA80 Collaboration, Z. Phys. C47 (1990) 367.

97. D. K. Srivastava and K. Geiger. Phys. Rev. C56 (1997) 2718.

98. M. Aggarwal et al. WA98 Collaboration. Nucl. Phys. A610 (1996) 210c.

99. X.-N. Wang. E-print hep-ph/9804384, 1998.

100. B. Andersson et al., Z. Phys. C57 (1993) 485.

101. K. Wegner, Phys. Rep. 232 (1993) 87.

102. U. A. Wiedemann and U. Heinz, Phys. Rev. C56 (1997) 3265.

103. R. Albrecht et al. WA80 Collaboration, Phys. Lett. B201 (1987) 390.

104. T. Akesson et al. Helios Collaboration, Z. Phys. C46 (1990) 361.

105. L. Ahle et al. E866 Collaboration, Nucl. Phys. A610 (1996) 139c.

106. A. Breakstone et al. SFM Collaboration, Phys. Lett. B183 (1987) 227.

107. G. Arnison et al. UA1 Collaboration, Phys. Lett. 118B (1982) 167.

108. F. Abe et al. CDF Collaboration, Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 1819.

109. N. Alexopoulos et al. E735 Collaboration, Phys. Lett. B336 (1987) 599.

110. T. Kafka etal.,Phys. Rev. D 16 (1977) 1261.

111. J. W. Cronin et al., Phys. Rev. Dll (1975) 3105.

112. D. Antdreasyan et al., Phys. Rev. D19 (1979) 764.

113. M. Lev and D. Petersson, Z. Phys. C21 (1983) 155.

114. C.Y Wong and Z.D.Lee, Phys.Rev. D39 (1989) 2606.

115. R.Albrecht et al., Phys.Rev.C 44(1991) 2736.

116. B. Lenkert et al., Nucl. Phys. A661(1999) 23c. F.Ceretto et al., Nucl.Phys.A638(1998)467c.

117. F. Becattini, Z.Phys. C69(1996)485.

118. S.Chapman, J.R.Nix and U.Hemz, Phys.Rev.C52(l 995)2694.

119. NA49 Collaboration, H.Appelshauser et al. Eur. Phys.J. C2(1998)661.

120. U.Heinz et al. Phys.Lett.B382(l996)181.

121. J.R.Nix et al., Nucl.-th/9801045

122. J.R.Nix, Phys.Rev.C58(l998)2303.

123. NA44 Collaboration, I.G. Bearden et al.,Phys.Rev.Lett. 78(1997)4087.