Исследование влияния барионного, электрического зарядов и странности промежуточных адронных систем на характеристики процесса множественного рождения адронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РГ8 ОД

9 п

1,.л:!

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

На правах рукописи УДК 339.12

ТУЛЕГЕНОЗ МУРАТ ШАКЕНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БАРИОННОГО, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДОВ И СТРАННОСТИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ АДРОННЫХ СИСТЕМ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА МНОЖЕСТВЕННОГО РОЖДЕНИЯ АДРОНОВ

01.04.1S. — Физика ядра, злемеятарных частиц и высоких энергий

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

АЛМаТЫ — 1996

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий Национальной Академии Наук Республики Казахстан.

Научные руководители: член-корреспондент НАН

Республики Казахстан — профессор ЧАСНИКОВ И. Я. кандидат физико-матема-ческих наук — ведущий щий научный сотрудник ШМОНИН В.Л.

Официальные оппоненты.

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук — профессор КОЛОМЕЕЦ Е.В.

кандидат физико-математических наук — ведущий научный сотрудник РУСЬКИН В.И.

НИИЭТФ при Казахском Государственном Национальном Университете имени Аль-Фараби

Защита состоится 5 июня 1996 года и 14 час 00 мин на заседании специализированного совета Д 60.01.01 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при ИЯФ НЯЦ РК. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ НЯЦ РК.

Автореферат разослан «_V <Д 1996 года.

Ученый секретарь специализированноат Совета Д 60.01.01

доктор фнз.-мат наук ____¿l _i._i _.__v-________ Ю.Г. КОСЯК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Повышенный интерес к изучению релятивистских ад-рон-ядерных и ядро-ядерных столкновений обусловлен возможностью образования в таких взаимодействиях нового состояния вещества — кварк-глюонной плазмы (КГП). Однако, интенсивные поиски КГП не дали определенных положительных результатов. Различные косвенные признаки наличия КГП, как-то повышенный выход странных частиц, дилептонов и т.д. получили объяснение в рамках различных моделей без привлечения понятия КГП. Одновременно становилось все более ясным, что условия возникновения чистой КГП в весьма ограниченной в пространстве области перекрытия ядер неблагоприятны, при этом конфайнмент и взаимодействие адронов в конечном состоянии искажают и даже полностью подавляют большинство таких сигналов.

Не менее интересным, чем КГП, объектом исследования является высоковозбужденное состояние адронной материи (ядерный файербол, кластер), эволюция которого допускает и фазовые переходы разного типа. В последнее время проблема исследования таких состояний, и их проявление в релятивистских столкновениях с участием ядер, привлекает внимание многих теоретиков и больших коллективов экспериментаторов.

Задача выбора наиболее реалистического сценария предполагает уточнение как эксперимента, так и теории, и их дальнейшую детализацию. В частности, степень однозначности предсказаний зависит от того, насколько точно определены начальные характеристики файербола. К начальным характеристикам файербола можно отнесги такие его квантовые числа как барионный заряд В, электрический заряд О, странность Б. Спектр моделей, основанных на представлении о ядерном файерболе (название может ме-

з

няться, но смысл физического объекта в основных чертах один и тот же) достаточно широк. Крайними по отношению к одной из характеристик — барионному заряду В — являются модели, в которых все провзаимодействовавшие нуклоны входят в ядерный файербол (В= Вшах), и такие, в которых В - 0 — барионный заряд уносится лидирующими нуклонами в области фрагментации ядер.

Целью работы явилось исследование влияния барионного заряда В, электрического заряда О, странности 8 ядерного файербола на наблюдаемые характеристики процесса мно-жествсннного рождения.

Для целей нашего анализа ядро-ядерных взаимодействий наиболее удобна модель ядерной пионизции (МЯП), которая посредством изменения одного из ее параметров перекрывает весь спектр моделей по В от В - 0 до В = Вшах- Согласно МЯП при взаимодействии релятивистских ядер их провзаимодействовавшие части образуют три высоковозбужденныё термодинамические системы: центральный пионизационныЙ кластер (ЦПК) — аналог ядерного файербола, и два бари-онных кластера (БК) в областях фрагментации снаряда й мишени.

При выполнении диссертации получены следующие основные результаты, характеризующие ее научную новизну;

1. Развит аппарат модели ядерной пионизации, позволяющий учитывать флуктуации чисел провзаимодейстовав-ших нуклонов и квантовых чисел ЦПК на основе метода Монте-Карло.

2. Построено последовательное описание распадного состояния ЦПК с учетом рождения странных частиц и бари-онных резонансов, учитывающее его квантовые числа: барионный заряд В, электрический заряд странность Б.

3. Дана качественная и количественная интерпретация рождения странных частиц в ядро-ядерных взаимодействиях!

4. Дана качественная и количественная интерпретация усиленной А-зависимости выхода кумулятивных К+-мезонов в адрон-ядерных взаимодействиях.

В результате проведенных исследований сформулированы следующие положения, выносимые на защиту.

1. При энергиях столкновения порядка нескольких ГэВ на нуклон в рождении странных частиц канал образования <ДК), (£К) пар, сечение которого зависит от барионного

заряда ядерного файербола В, доминирует над каналом образования (КК) пар. В результате величина сечения образования странных частиц в указанном интервале энергий определяется в основном значением В.

2. Ядерный файербол в процессе эволюции испытывает значительное предраспадное расширение. При этом рождение частиц разного сорта происходит на разных стадиях развития процесса.

3. С ростом энергии столкновения рождение одиночных К+-мезонов, обусловленное обменом странностью, преобладает над парным рождением К+-мезонойи гиперонов.

4. Рост барионного заряда В ядерного файербола приводит к смещению максимума распределения релятивистских протонов по псевдобыстроте.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

1. Произведенное в работе развитие модели ядерной пи-онизации позволило существенно расширить область ее применимости по атомному весу сталкивающихся ядер и набору рассматриваемых характеристик, а также сделать ее предсказания более достоверными.

2. Расчеты, выполненные по модели, могут быть использованы при планировании и постановке экспериментов в области релятивистской ядерной физики.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав основного текста, Заключения, Приложений, списка цитированной литературы, содержащего 119 наименований. Объем диссератации 148 страниц, включая 23 рисунка, 9 таблиц.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Сформулирована новая математическая реализация модели ядерной пионизации, основанная на методе Монте-Карло;

2. Составлен ряд программ для ЭВМ, по которым производились расчеты в рамках модели ядерной пионизации;

3. Записана система уравнений, описывающая распадное состояние центрального пионизационного кластера — аналога ядерного файербола — в случае рождения странных частиц и барионных резонансов, учитывающая его квантовые числа: барионный заряд В, электрический заряд <3, стран-

ность S. Найден оригинальный метод решения системы уравнений;

4. Произведен расчет характеристик множественного рождения адронов в ядро-ядерных взаимодействиях;

5. Оценено влияние барионного заряда В, электрического заряда Q, странности S на наблюдаемые характеристики процесса множественного рождения адронов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на сессиях ОЯФ АН СССР, на Всесоюзной конференции по космическим лучам (Алматы, сентябрь 1988), на Рабочем совещании по ГИБС (Алматы, сентябрь 1989), конференциях молодых ученых ИЯФ и ИФВЭ HAH PK, на семинарах ИФВЭ HAH PK в период с 1985 года по 1993 год и опубликованы в 10 работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко сформулирована цель диссертационной работы, обоснована ее актуальность и показана научная новизна, перечислены положения, выносимые на защиту, и дана краткая аннотация диссертации.

Первая глава диссертации посвящена расчету чисел взаимодействующих нуклонов в ядро-ядерных взаимодействиях в рамках МЯП. Приведены формулы, по которым вычисляются числа провзаимодействовавших нуклонов. Здесь также приведена аналитическая формула для учета флуктуаций чисел провзаимодействовавших нуклонов. Однако с ростом атомного веса сталкивающихся ядер возникают трудности при вычислении флуктуаци, связанные с большим счетным временем. Обойти эту трудность удалось переводом программы расчета на метод Монте-Карло.

Схем численных расчетов по модели, базирующейся на методе Монте-Карло и термодинамическом описании распада кластеров, состоит в следующем.

Разыгрывается прицельный параметр Ь столкновения ядер А\ и Аг, определяемый формулой:

Ь'Я^Т,

где £ — случайная величина, равномерно распределенная

в интервале [0,1 ], а Я - Я; + Я2, где Л/ ~ такие расстояния от центров ядер А(, на которых платности распределений нуклонов р1 (г) удовлетворяют условию

Р1 (Я/) г 10~2 Р1 (0).

Затем определяются средние числа лровзаимодейстзовав-ших нуклонов < т> ь , захваченных в ЦПК нуклонов <пц>ь, нуклонов вошедших в БК при выходе его из своего ядра при данном придельном параметре есть:

<д ¡>ь » <НГ>Ь - <Щ>ы

где — <ы?3>ь есть полное число нуклонов в бариошшм кластере. Блок-схема расчета показана на Рис. 1.

Во второй главе представлены способ вычисления кинематических характеристик возбужденных систем, и описание их распада. Величины л/, т/, Д/, определенные в первой главе, позволяют вычислить энергии, импульсы, массы ЦПК и двух БК. Для описания распада кластеров используется термодинамическое приближение. При энергиях порядка нескольких ГэВ на нуклон прадраспадное расширение ЦПК рассматривается как нерелятивистское, а к описанию рас-падного состояния применимы основные представления модели Померанчука. Согласно ей кластер распадается на вторичные наблюдаемые частицы, когда в процессе расширения его распадная плотность упадет до некоторого критического значения. Записана система уравнений, описывающая распадное состояние ЦПК, с учетом рождения странных частиц, барионных резонансов, а также и квантовых чисел ЦПК: барионного заряда В, электрического заряда странности & Представлен способ решения системы уравнения в случае 0 - В/2, заключающийся в том, что.посредством ряда аналитических преобразований, система уравнений сводится к одному уравнению с одним неизвестным, которое решается численно методом деления отрезка пополам.

При отклонении электрического заряда от соотношения О - В/2 система уравнений добавляется еще одним уравнением, отражающим сохранение электрического заряда. Показано, что отклонение заряда системы от соотношения О В/2 не оказывает в линейном приближении влияния

|входные параметры Ад , Я^

а

-^генерация случайного числа $

¡разыгрывается прицельный параметр; Ь « И . Я - И1 +

¡вычисление <п|>ь ,<пц>ь ,<А|>ь ><8|>ь| I

^аа.

если <щ>ь - 0

нет

; <«, =

определение вероятностей 1 - <П1>ь/а,; <р\ = 1 - <Ш|>ь/<П|>ь у>\ = 1 - <Д|> / (А) - <щ>ь); _- 1 - <51>Ь / < П|>Ь_

¡пГ~= 0; ш; = 0; 51 - 0; А^ =0; ^ = 0(

Генерация случайного числа ¿,,1

Р> - А + 1

¡если 1 > нет

Рве 1.

Блск-схсма розыгрыша взаимодействий по методу Монте-Карло с учетом обмена странностью

на величины 7, V к цы ЦПК, найденный для случая <} и В / 2.

Третья глава диссертации посвящена оценке бариошюго заряда ядерного файербола, и его влияния на значения ряда наблюдаемых величин на основе анализа данных по Ие + А%Вг взаимодействиям при энергии 4.2 ГэВ/нуклон с использованием модели ядерной пионизации. Показано влияние роста барионного заряда ядерного файербола на распределения релятивистких протонов по квазибыстроте, проявляющееся в сдвиге максимумов распределений в область меньших квазибыстрот с ростом степени центральности столкновения. Экспериментальные характеристики релятивистских протонов и пионов получены на основе их статистического разделения в шкале квазибыстрот. Показано, что косвенный (статистический) метод разделения релятивистских протонов и П±-мезонов позволяет в принципе определить достаточно тонкий эффект изменения барионного заряда В ядерного файербола, образованного в ядро-ядерных столкновениях. В моделях, допускающих его образование величина В играет важную роль, поскольку входит в систему уравнений, определяющих температуру и химические потенциалы частиц — продуктов распада файербола. Совершенна очевидно, что поведение спектров частиц, несущих барионный заряд (нуклоны, изобары, гипероны) прямо зависят от В.

В четвертой главе рассмотрены процессы рождения странных частиц в ядро-ядерных столкновениях с учетом их парного рождения, а также с учетом обмена странностью. Оценено влияние барионного заряда на рождение АГ+-ме-зонов. Показано, что -мезоны, обладая малым сечением поглощения в ядерном веществе, рождаются на относительно ранней стадии .расширения ЦПК, тогда как ЛГ-мезоны, обладая большим сечением поглощения в ядерном веществе, рождаются наряду с пионами на относительно поздней стадии развития процесса. Развитие процесса при столкновении релятивистских ядер и нуклонов с ядрами на всех его стадиях может сопровождаться обменом странностью с внутриядерными нуклонами, то есть наряду с образующимися в таком процессе нуклонами отдачи, возможно появление гиперона отдачи.

ю

В этом случае схема численных расчетов по модели, базирующейся на методе Монте-Карло аналогична схеме, описанной в первой главе диссертации, но добавляется расчет вероятности флуктуации для каждого нуклона ядра Л/, про-взаимодйсвовавшего при формировании ЦПК без обмена странностью, и не захваченного в ЦПК, при данном прицельном параметре £/ = 1 - < 5/> г> / < л(> ь • Блок-схема расчета приведена на Рис. 1.

При рассматриваемых энергиях столкновения ядро-ядерных взаимодействий обмен странностью не оказывает существенного влияния на значения наблюдаемых величин.

Пятая глава посвящена процессам рождения кумулятивных странных частиц с учетом их парного рождения, и с учетом обмена странностью в адрон-ядерных взаимодействиях. Исследование инклюзивных спектров кумулятивных адронов не позволяет получить информацию о структурных функциях ядра, так как доминирует вклад каналов горячей схемы рождения кумулятивных адронов. Отсюда непосредственно следует, что особенности кумулятивного эффекта содержат информацию о горячем источнике адронов, который играет центральную роль в механизме процесса множественного рождения. В этом случае рождение кумулятивной частицы отличается от среднего акта множественного рождения чистотой отделения данных объектов (вклад непионизационных процессов резко подавляется из-за кинематических условий, таких как свойства экранировки ядра).

В Приложении 1 приведен вывод формул для чисел взаимодействующих нуклонов по модели ядерной пиониза-ции.

В Приложении 2 дано решение интегрального уравнения для числа нуклонов, вошедших в БК.

В Приложении 3 приведена программа расчета чисел взаимодействующих нуклонов на основе метода Монте-Карло.

В Заключении сформулированы выводы диссертационной работы, заключающейся в том, что использование модели ядерной пионизации, относящейся к моделям файербольного типа в качестве рабочей модели, позволяет в принципе оценить влияния барионного заряда В, электрического заряда <2, странности Б ядерного файербола на наблюдаемые характеристики процесса множественного рождения адронов.

Сама же модель ядерной пионизации находится в соответствии с представлениями о кварк-глюонном строении адрона, не противоречит известным экспериментальным фактам, обладает надежным расчетным аппаратом, и позволяет описывать основные закономерности процесса множественного рождения адронов в релятивистких ядро-ядерных стокнове-ниях.

К числу наиболее важных результатов диссертационной работы можно отнести следующие.

1. Реализована модель ядерной пионизации, основанная на методе Монте-^арло, позволившая учитывать флуктуации прицельного параметра, чисел взаимодействующих нуклонов, непровзаимодействовавщих протонов ядра-снаряда, и влияние этих флуктуацнй на экспериментально наблюдаемые величины.

2. Описано распадное состояние центрального пиониза-ционного кластера — аналога ядерного файербола — в случае рождения странных частиц, барионных резонансов и обмена странностью. Показано, что учет отклонения электрического заряда ЦПК от соотношения (3«В/2, (где В — барионный заряд ядерного файербола) в линейном приближении не влияет на значения основных термодинамических характеристик файербола: Г. К [Лц. Обмен странностью при энергиях столкновения в несколько ГэВ/нуклон несущественней.

3. Показано, что косвенный (статистический) метод разделения релятивистких протонов и П±-мезонов в ядерной фотоэмульсии позволяет в принципе определить достаточно тонкий эффект изменения. барионного заряда В ядерного файербола, образованого в ядро-ядерных взаимодействиях, проявляющийся в смещении максимума распределения релятивистских протонов по квазибыстроте в область меньших квазибыстрот с увеличением степени центральности столкновения.

4. Барионный заряд В играет важную роль в термодинамических моделях, допускающих образование ядерного файербола, поскольку входит в систему уравнений, определяющих температуру распада и химические потенциалы частиц — продуктов распада файербола. Поведение спектров частиц, несущих барионный заряд (нуклоны, изобары, гипероны), прямо зависит от В. Одним из интересных про-

проявлений роста барионного заряда ядерного файебола В может служить увеличение выхода Х^-мезонов.

5. Рождение частиц различного сорта происходит на разных стадиях эволюции ядерного файербола.

6. На основе последовательного учета влияния барионного заряда и странности на распадные характеристики источника кумулятивных адронов дана интерпретация усиленной А-зависимости образования кумулятивных л-мезонов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Амеев С. Ш., Тулегенов М. Ш., Шмонин В. Л., К изучению процесса множественного рождения адронов на встречных пучках релятивистских ядер. Алма-Ата, 1986. — 28 с. (Препринт ИФВЭ АН Каз ССР, 86-02).

2. Амеев С. Ш„ Тулегенов М. Ш., Шмонин В. Л. К описанию рождения странных частиц в модели ядерной пионизации. Алма-Ата, 1987. — 23 с. (Препринт ИФВЭ АН Каз ССР, 87—19).

3. Тулегенов М. Ш. Рождение Я"~-мезонов в столхнове-" ннях релятивистких ядер и модель ядерной пионизации. —

Труды семинара молодых ученых ИФВЭ АН Каз, ССР. Алма-Ата, 1988., с. 1—7. (Препринт ИФВЭ АН Каз ССР, 88—08)'

4. Амеев С. Ш., Тулегенов М. Ш., Шмонин В. Л. Определение чисел взаимодействующих нуклонов в модели ядерной пионизации. Алма-Ата, 1988, 37с. (Препринт ИФВЭ АН Каз ССР, 88—12).

5. Амеев С. Ш., Тулегенов М. Ш., Шмонин В. Л. Определение чисел взаимодействующих нуклонов в модели ядерной пионизации. Материалы Всесоюзной Конференции по космический лучам. 4.2. Алма-Ата, 1988, 13—15 сентября, с. 123—124.

6. Голубятникова £ С., Тулегенов М. Ш., Шмонин ВЛ. А-зависимость сечения образования кумулятивных К* ■мезонов в горячей схеме процесса.— Алма-Ата, 1990, 37 с. (Препринт ИФВЭ АН Каз ССР 90-01).

7. Тулегенов М. Ш. Распределение по быстроте /С? -мезонов и Л°- гиперонов в ядро-ядерных столкновениях при энергии 4.3 ГэВ на нуклон.— Труды семинара молодых ученых ИЯФ и ИФВЭ АН Каз ССР. Алма-Ата. 1990., с. 20—26. (Препринт ИФВЭ АН Каз ССР, 90—04).

8. Ameev S. Sh., Tulegenov М. Sh., Shmonin V. L. On the strange particle production in the nuclear pionization model.— Intern. Journal of Modern Physics. 1990. v. A 5. p.

4489—4495.

9. Амеева Б. У., Амеев С. Ш., Андреева Н. П., Анзон 3. В., Бубнов В. И., Гайтанов А Ш., Елигбаева Г. Ж., Еременко Л. Е., Калячкина Г. С., Каныгина Э. К., Лескин В. А, Тулегенов М. Ш., Часников И. Я., Шахова Ц. И., Шмонин В. Л. Оценка барионного заряда ядерного файер-бола на основе анализа данных по Ne + AgBr взаимодействиям при энергии 4.2 ГэВ/нуклон. ЯФ. 1992, т. 55, с. 425—440.

10. Shmonin V. L. Tulegenov М. Sh. Cumulative particles ratios as a test of their production mechanism.— Proceedings of HEPI NAS RK, Almaty. 1993., p.123—156.

ЛРАЛЫК АДРОНДЬЩ ЖУЙЕНЩ 0АРИОНДЫК, ЭЛЕХТРЛ1КЗАРЯДТАРЫНЫЦ Ж6НЕ К,ЬЩЫРЛЫ*ЫНЬЩ АДРОИДАРДЬЩ К0ПТЕП ПАЙДА БОЛУ ПРОЦЕСТЕРШЩ СИПАТТАМАЛАРЫНА 0CEPIH ЗЕРТТЕУ

ТЭЛЕГЕНОЗ MVPAT ШАКЕНУЛЫ

Яд ролы*, кдрапайым белшектер жене жогоры энергия фкзикальа — 01.04.16 мамаидагы бойынша физика-математика гылымдарыкмц кандидаты гылыми дережес'ш алу диссертациясы

Жумыстыц nertoil максаты ядролыц файерболхыц бариоггдыц, электрл1к зарадтарыныд ясене хдлиырлыгыкыц кептеп пайда болу про-цестер1н1н сипаттамаларына есер1н зерттеу. Монте-Карло ед!с!н!!< негЫвда врекеттесет1н нуклондар саиыкыц ауыткуык жене орталык, киондаиу рслестер1и1ц — ядролых, файербол сияцтысыныц кваптты* санын есепке алаты.ч ядролых, пиондану модел!п1.ч тэс1л! дамытылган. Кыньф бзлшекйч пг.йда болуы жене бариондык, ре зо ¡¡аиста ры есепке алыкгзн сртглых, пиоидаиу кластер!н!ц ыдырау куй!и1н б1рыкдай сурсггершес! берОгед!, мунда онык кванты* сандары: бариондык, заряды В, злектрл)к гарады Q, «.ыцырлыгы S ескер1лед1.

INVESTIGATION 05? THE INFLUENCE OP BASIYON, ELECTS!С CHARGES AND STRANGENESS OP

iNTEHMEDIATE HADRON SYSTEMS ON CHAKACTEEISTtCS OF TOE PROCESS OF MULTIPLE HADRON PRODUCTION

TULEGENOV MURAT SHAKENOVICH

Stand for a degree of candidate of physics-mathenatics sciences oa the speciality 01.04.16 — physics of nuwleus, elementary particles and high energies

The aim of the work Is the investigation of the influence of baryon, electric charges and strangeness of nuclear fireball on the observable characteristics of the multiple hadron production process. It is developed npparat of the nuclear pionlzatlon mode! allowed to take Into account fluctuation of the nuader of umerocted nucleons and quantum numbers of the central pionlzatlon claster (CPC) — analog of a nuclear fireball — on the basis of Monte-Carlo method. It Is constructed the description of CPC dccay state at the case of production of strange particles and baryon resonances with taking into account Its quantum numbers: birycn charge 3, ciectric charge Q. strangeness S.