Калибровка 900-канального времяпролетного детектора и измерение спектров адронов во взаимодействиях ядер Pb+Pb при энергии 158 ГэВ/нуклон тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение

1 Описание эксперимента

1.1 Состав установки NA49.

1.1.1 Система координат и используемые кинематические переменные.

1.2 Идентификация частиц в эксперименте и требования к вре-мяпролетной системе

1.3 Описание времяпролетного детектора TOF.

1.4 Система высоковольтного питания TOF.

1.5 Электроника считывания TOF.

1.6 Реализация триггера в эксперименте.

1.7 Система сбора данных

2 Калибровка времяпролетной информации

2.1 Задачи реконструкции.

2.2 Реконструкция треков и востановление вершины взаимодействия

2.3 Геометрическая калибровка TOF детектора.

2.4 Амплитудная нормировка сигналов.

2.5 Коррекция измеренного временного интервала и определение времени пролета.

3 Идентификация частиц

3.1 Определение критериев качества треков.

3.2 Построение dE/dx-m2 распределений.

3.3 Определение параметров dE/dx-m2 распределений.

3.4 Построение (pt-у) распределений идентифицированных частиц

4 Моделирование в условиях эксперимента

4.1 Описание геометрии установки и вещества детекторов

4.2 Розыгрыш начальных параметров частиц.

4.3 Моделирование процессов прохождения частиц через установку

4.4 Моделирование отклика детектора

4.5 Определение коэффициентов коррекций.

5 Анализ экспериментальных данных

5.1 Построение спектров по поперечной массе. Анализ наклонов спектров и выходов частиц.

5.2 Оценка систематической ошибки в определении параметров спектров частиц.

5.3 Исследование систематики наклонов спектров.

5.4 Сравнение экспериментальных данных с микроскопическими каскадными моделями.

5.5 Выход каонов в Pb+Pb столкновениях.

5.6 Стоппинг в Pb+Pb реакциях при 158 А-ГэВ/с.

5.7 Изучение выходов дейтронов в реакциях Pb+Pb при 158 А-ГэВ/с

Экспериментальные исследования в области релятивистской ядерной физики начались более 30 лет назад в двух лабораториях мира - LBL (Беркли) и ОИЯИ (Дубна), на ускорителях которых были ускорены ядра до энергий 2 ГэВ/нуклон и 4.5 ГэВ/нуклон. соответственно [1]. Первые эксперименты на пучках многозарядных ионов продемонстрировали большие перспективы этого нового физического направления. В частности, были обнаружены многие интересные закономерности инклюзивного рождения частиц в ядро-ядерных столкновениях [4, 5, 6]. В результате анализа экспериментальных данных стало очевидно, что описание столкновений релятивистских ядер не может сделано на основании суперпозиции нуклон-нуклон и нуклон-ядерных реакций. Это позволило сформулировать понятие о кварк-партонной структурной функции ядра и сделать заключение о влиянии ядерной среды на структурные функции свободных нуклонов [7].

С появлением новых более мощных ускорителей ядер, AGS, SPS, RHIC и планируемого в ЦЕРН LHC эта область физики получила новое бурное развитие. Экспериментальные данные, полученные в ядро-ядерных реакциях, имеют фундаментальное значение для широкого спектра научных теорий -от теории частиц до космологии. При больших значениях массового числа и энергии налетающих ядер образуется макроскопическая по сравнению с типичным размером ядерного взаимодействия (та 1 Фм) пространственно-временная область с очень высокой плотностью энергии (порядка нескольких ГэВ/Фм3). При таких плотностях возможен переход ядерной материи в новое фазовое состояние вещества называемое Кварк-Глюонная Плазма (КГП) [8, 9]. Особенный интерес вызывают т.н. "центральные" столкновения, т.е. столкновения с малым прицельным параметром. К примеру, в центральных Pb+Pb столкновениях на ускорителе SPS (>/£ та 17 А-ГэВ) плотность энергии в области столкновения составляет б=(3-г-4) ГэВ/Фм3 [10], что в несколько раз превышает критическое значение для перехода в состояние КГП (е та 1 ГэВ/Фм3), полученное при расчетах КХД на решетке [11].

Эспсриментальные исследования свойств КГП могут помочь в понимании проблемы конфайнмента и возникновения масс частиц.

Исследование спектров адронов является одним из основных экспериментальных методов для изучения динамики ядерных реакций ж эволюции системы, образованной при взаимодействии. В частности, спектры протонов позволяют изучать механизм потерь энергии нуклонами сталкивающихся ядер и определять барионную плотность в начальной стадии взаимодействия. Изучение выходов /^-мезонов, которые содержат почти 70% всех рожденных при столкновении ядер s-кварков, важно для поиска проявлений КГП, так как при этом ожидается повышенный выход странных частиц. Следует особенно подчеркнуть важность измерения спектров као-нов в связи с проводимой в эксперименте NA49 программой исследования энергетической зависимости К/тт отношения ж возможного наблюдения порогового эффекта при образовании КГП.

Важную информацию о динамике процесса ядерного столкновения можно получать изучая процесс образования легких ядер, в частности, дейтрона. Образованный при столкновении двух ядер сгусток ядерной материи с большой плотностью и высокой температурой (файербол), со временем расширяется и охлаждается. На конечной стадии развития файербола, когда плотность системы и относительная скорость частиц малы, взаимодействия между частицами становятся маловероятными. Данная пространственно-временная конфигурация носит в литературе название "freeze-out". Так как энергия связи дейтрона (Есв = 2.25 МэВ) мала по сравнению со средней кинетической энергией частиц в момент freeze-out, (Tj0 « 120 МэВ), то образование дейтронов в результате слияния пары нуклонов происходит на конечной стадии развития системы. Следовательно, измерение выхода дейтронов позволяет не только прояснить механизм образования ядерных кластеров, но и исследовать распределения нуклонов в конечном состоянии расширяющегося источника частиц [100, 105].

Диссертация состоит из введения, пяти глав (1-5) и заключения.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. На основе проведенных методических исследований сцинтилляционных счетчиков при активном участии автора создан уникальный времяпро-летный детектор (TOF) на 900 каналов с рабочей площадью 2.5 м2. ооладающии рекордным временным разрешением ст 75 пс. Детектор успешно функционирует в составе большого адронного спектрометра эксперимента NA49 в ЦЕРНе, на пучках адронов и ядер ускорителя SPS. Набранная статистика составляет около 20 млн. событий.

2. Создана методика калибровки времяпролетной информации с TOF детектора. Разработаны алгоритмы коррекций и процедуры для получения и использования калибровочных констант сцинтилляционных счетчиков, которые реализованы в виде специализированной программы для времяпролетного детектора TOF. Эта программа успешно применялась для реконструкции 7 млн. событий зарегистрированных в эксперименте NA49 в реакциях р+р, p-fPb и РЬ+РЬ при энергиях пучка 40,80 и 158 ГэВ/нуклон.

3. Разработана и успешно применена процедура идентификации частиц с помощью измеренных во времяпроекционных камерах ТРС ионизационных потерь и восстановленной по времени пролета в TOF детекторе эффективной массы. Это позволило надежно идентифицировать заряженные частицы 7г±, К±,р,р и ядра d в широком интервале импульсов 3 < Р < 14 ГэВ/с.

4. Получены распределения по поперечной массе rnt для заряженных частиц Tr±,K±,p,p,d, рожденных в центральных РЬ+РЬ столкновениях при энергии налетающих ядра 158 ГэВ/нуклон в близкой к центральной области быстрот (Уем—2.9) в интервале поперечных масс 0 < ™>t — W'O < 1 ГэВ/с2. Проведен анализ спектров и определены параметры наклона спектров Т и плотности частиц на единицу быстроты dn/dy. Показано, что параметр наклона спектра заряженных частиц по поперечной массе растет с увеличением массы частицы, что согласуется с представлением о существовании коллективного поперечного движения в области столкновения релятивистских ядер.

5. Выполнен сравнительный анализ mr спектров дейтронов и протонов и определено значение параметра коалесценции В<2, характеризующего вероятность образования дейтронов. Оно оказалось равным Вч —- (3.5 ± 1.0) • Ю-4 ГэВ2 при pt=0 в реакции РЬ+РЬ при 158 А-ГэВ. Также проанализирована зависимость параметра В2 от поперечной массы дейтрона. Полученные результаты сравниваются с предсказаниями моделей образования легких ядер, включающих эффекты расширяющегося источника и коллективного движения, а также наличия пространственно-импульсных корреляций излучаемых частиц.

В заключении я хотел бы поблагодарить дирекцию и сотрудников Лаборатории Высоких Энергий, и особенно, проф. А.И. Малахова за поддержку данной работы.

Я благодарен моим коллегам Г.Л. Мелкумову, А.Ю. Семенову,

A.Ю. Исупову, С.А. Чатрчяну вместе с которыми был пройден большой путь по созданию и эксплуатации времяпролетного детектора TOF в эксперименте NA49.

Я признателен участникам коллаборации NA49 за помощь в наборе и анализе экспериментальных данных с TOF детектора.

Я очень признателен С.Г. Резникову, В.К. Бондареву, А.Н. Хренову,

B.Г. Перевозчикову, В.П. Ладыгину, И.И. Мигулиной, А.Г. Литвиненко за плодотворное обсуждение полученных результатов и помощь при подготовке диссертации.

Особенную благодарность я бы хотел выразить моему научному руководителю - Георгию Левоновичу Мелкумову за большую помощь и дружеское участие при подготовке и написании этой работы.

Искреннюю признательность и огромную благодарность я бы хотел выразить моим родителям и моей дорогой жене Елене за постоянную поддержку и неоценимую помощь в течении многих лет.

Заключение

1. Балдин A . M . и др., Препринт Р9-5442, ОИЯИ, 1970.

2. Балдин A . M . и др., ОИЯИ, П1-5819, Дубна, 1971.

3. Балдин A . M . , Краткие сообщения по физике АН СССР, М., 1971, 1,С.35.

4. Балдин A . M . , ЭЧАЯ, 1977, т.9, вып.З, с.429.

5. Ставинский B .C . , ЭЧАЯ, 1979, т. 10, вып.5, с.949.

6. Бондарев В.К., ЭЧАЯ, 1997, т.28, вып.1, с.13.

7. Baldin А. М., In Proc. of the Int. Conf. on Extrerae states in NuclearSystems, Drezden, 1980, v.2, p . l .

8. E . V . Shuryak, Pliys. Rep. C61 (1980) 71.

9. J . G. Collins, M . J. Perry, Phys. Rev. Lett. 34 (1975) 151.

10. T. Alber et al, NA49 Coll., Phys, Rev. Lett. 75 (1995) 3814.

11. P. Karsch and Laermaim, Rep. Prog. Phys. 56 (1993) 1347.

12. S. Afanasiev et al, Nud . Instrurn. Methods Phys. res., A 430, 210 (1999)

13. C. deMarzo et al, N I M 217, 405 (1983).

14. J . Bachler et al (NA35 Lollaboration), Phys. Lett. B184 (1987) 271.

15. B . A . Григорьев и др. Электронные методы ядерно-физического эсперимента. Энергоатомиздат, 1988.

16. И. И. Анисимова, Б. М. Глуховской. Фотоэлектронные умножители.Москва, "Советское радио", 1974.

17. Bicron Scintillation Products, Р.О.В. 3093, NL-3760 DB Soest.

18. A . Ю. Семенов. Кандидатская диссертапия. ОИЯИ, Дубна, 1998.

19. В. Афанасьев,.., В. И. Колесников, и др. Краткие сообиденияОИЯИ, Nl(81)-97, 1997, с.45.

20. В.Афанасьев,.., В.И. Ко лесников, и др. Краткие сообщения ОИЯИ,N5(85)-97, 1997, с.69.

21. Mod. SY527. technical Information manual. A.E.N, 1995.

22. Mod. АГ53. SY527 High Voltage Boards. C .A .E .N . 1995.

23. Mod, A733. SY527 High Voltage Boards. C .A .E .N . 1995.

24. Mod, A303, C A E N E T P C Controller. Technical Information Manual.2004.1991.

25. Model 1875A FASTBUS T B C . Operators manual. LeCroy 1994.

29. J. Moliwar. Buda trigger unit. M T A Alotki. Debrecen 1999.

30. KineticSystems Co. Segmcirt Interconnect. F900. Oct. 1997.

32. Eltec. EurocomS. Hardware Manual. 68020 C P U Board,Rev.lA.10.07.1987.

33. R. Zybert. D S P A C K (version 1.0). NA49 Note 14,12,1993.

34. R. Brim et ai, CERN-DD/EE/84- l ,Sep t . 87.

35. K . Werner, Phys. Rep. 232, 87 (1993).

36. H. Sorge, Phys. Rev. С 52, 3291 (1995).

37. M . Y . Toy, Ph. D. Thesis, University of California, Los Angeles, 1998.

38. A . Capella et al, Phys, Rep. 236, 225 (1994).

39. R. М. Stemheimer, R. F. Peierls, Phys. Rev. B3 (1971), 3681.

40. L. Landau, Journal of physics USSR 8 (1944), 201.

41. E . Fermi, Phys. Rev. 57 (1940) 485.

42. I. Lehraus et al, N I M 153 (1978) 347.

44. F . Antinori et al. (WA97 CoUab.), Eur. Phys. J . С 11, 79 (1999).

45. S. V . Afanasiev et al., NA49 CoU., Strange Quark Matter Conf. 2001proceedings, to be pubhshed in Eur. Phys. J .

46. M . J. Tarmenbaum, Int. J. Mod. Phys., A4 (1989) 3377

47. W. A . Love et al. E810 CoUab., Nucl. Phys. A524 (1991).

48. J. Solfrank, P Koch, U . Heinz,, Phys. Lett. В 252, 256 (1990).

49. G. E . Brown et al, Phys. Lett. В 253, 19 (1991).

50. V . Friese, Ph. D. Thesis, Marburg University, 2000.

51. I. G. Bearden et al. Phys. Lett. В 388, (1996) 431.

52. F. Antinori et al (WA97 Cohab.), Eur. Phys. J. С 14, 633 (2000).

53. S. Hayashi, Ph. D. Thesis, University of Tokyo (1990).

54. P. J . Siemens and J. O. Rasmussen, Phys. Rev. Lett. 42, (1979) 880.

55. K. S. Lee et al, Z. Phys. C48, (1990) 525.

56. K. S. Lee, U . Heinz, and E. Sclmedermann. Z. Phys. С 48, (1990) 525.

57. В. Alper et al. Nucl. Phys. BlOO, 237 (1975).K . Guetler et al. Nucl. Phys. B116, 77 (1976).

58. I. G. Bearden et al. Phys. Rev. Lett. 78, 2080 (1997).

59. X . Artu and G. Mennessier Nucl. Phys. B70 78, 93 (1974).

60. B. Anderson et al., Phys. Rep. 97, (1983) 31.

61. M . Gonin et al. Phys. Rev. C51, (1995) 310.

62. R. Mattiello, H. Sorge and H, Stocker Phys. Rev. Lett. 63, 1459 (1989),

63. P. Koch, B. Müher and J. Rafelski Phys. Rep. 142 (1986) 167.

64. T. Wienokl et al (EOS Cohaboration), to be pubhshed.

65. T. Ahle et al (E866 Collaboration), Nucí. Phys. A610 139 (1996).

66. T. Alber et al (NA35 Collaboration), Z. Physik C64 195 (1994).

67. H . Appelshäuser et al. Phys, Rev. Lett, 82 (1999) 2471.

68. J. Baechler et al (NA35 Cohaboration), Pliys. Rev. Lett. 72 1419 (1994).

69. C. Spieles et al, Phys, Rev. C53, 2011 (1996).

70. I, Bearden et al, Phys. Rev. C57, 837 (1998).

71. L .V . Bravina et al, Phys. Rev, C60, 044905 (1999).

72. P. Braun-Munzinzer et al., Phys, Lett. B 344, 43 (1995),

73. H, Dobler et al, Phys. Lett. B 457, 353 (1999).

74. C T . Butler, C A . Pearson, Phys. Rev. 129 (1963) 836,

75. A . Schwarzschild, C. Zupancic, Phys. Rev. 129 (1963) 854,

76. S. Wang, et al. (EOS Collaboration) Phys. Rev. Lett. 74, 2646 (1995).

77. M . C Lemaire, et al (EOS Cohaboration) Phys, Lett, 85B, 38 (1979),S. Nagamiya, et al (EOS Cohaboration) Phys. Rev. C24, 971 (1981), R,L. Auble, et al. (EOS Cohaboration) Phys. Rev, C28, 1152 (1983).

78. J .V. Cronin, et al Phys. Rev. D i l (1975) 3105,W. Bozzoh, et al Nucí. Phys. B144 (1978) 317

79. J . Barrette, et al. Phys. Rev, C50 (1994) 1077,T, Abbott, et al Phys. Rev. C50 (1994) 1024, N . Saito, et al. Phys. Rev. 049 (1994) 3211.

80. Proceedings of the 3''^ HIPAGS Workshop, Aug. 22-24, 1996, Wayne StateUniversity, Detroit, Michigan.

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

82. S, Kahana et al, In Proceedings of HIPAGS'93. edited by G. Stephans,p,263. Report MITLNS-2158.

83. T. Alber et a/., NA49 ColL, Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 3814.

84. H. Sato, K . Yazaki, Phys. Lett. 98B, 153 (1981).

85. P. Eckhartd, Ph. D. Thesis, Marburg University, 1997.

86. A .Z . Mekjian, Pliys. Rev. C 17 (1978) 1051.

87. R. Hanbury-Braun, R.Q. Twiss, Nature (London) 178 (1956) 1046.

88. W. Liope, et al Pliys. Rev. C52 (1995) 2004.

89. H . Appelshauser et al, Eur. J. Piiys. C2 (1998) 661.

90. R. Sclireibl and U . Heinz, Piiys. Rev. C59 (1999) 1585.

91. S. Mrówczyiiski, Phys. Lett. B 248 (1990) 459.

92. T. Wienold (NA49 Cohaboration) Nuch Phys. A610 (1996).

93. S. V . Afanasiev, . . . ,V. I. Kolesnikov, et a/Nucl. Pliys. A610 (1996) 188.

94. T. Alber,.., V . I. Kolesihkov et al3. Phys.G: Nucl. Part. Phys. 23 (1997)1887.

95. J. Bachler,..,V. I. Kolesrhkov et a/Nucl. Phys. A661 (1999) 45.

96. S. V . Afanasiev .. V. 1. Kolesnikov et al, Piiys. Rev. Lett. B486 (2000)22.

97. J.Bachler, V.I.Kolesnikov et tí/Nucl.Pliys.Proc. Suppl.92:7-15,2001.

98. A . Polleri, et al Phys. Lett. B 419 (1998) 19.

100. R. Bond, et al Phys. Lett. B 71 (1977) 43.

101. T. Csorgx), et al Phys. Lett. B 338 (1994) 134.

102. R. Mattieho, et al Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 2180.

103. R. Mattieho, et al Phys. Rev. C 55 (1997) 1443.

104. H. Sorge, et al Phys. Lett. B 355 (1995) 27.