Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX

Пантуев, Владислав Сергеевич

Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Пантуев, Владислав Сергеевич АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX»

Автореферат диссертации на тему "Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX"

09-2 4037

На правах рукописи

Пантуев Владислав Сергеевич

Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2008

На правах рукописи

Пантуев Владислав Сергеевич

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Институте ядерных исследований Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук

Токарев Михаил Владимирович

Доктор физико-математических наук

Ставинский Алексей Валентинович

Доктор физико-математических наук, профессор

Недорезов Владимир Георгиевич

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Защита состоится « »_2009 г. в_час.

на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 ИЯИ РАН. (117312, Москва, просп. 60-летия Октября, д. 7а)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН

Автореферат разослан « »_2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Б.А. Тулупов

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

Действительно, КХД расчеты, проводимые на решетке, указывают на возможность фазового перехода при большой плотности энергии и высокой температуре из обычной ядерной материи в фазу конституентных кварков и глюонов в большом объёме взаимодействующих посредством обмена цветными зарядами. Предсказуемый интервал температуры для такого перехода находится в диапазоне 160-180 МэВ, а плотность энергии должна превышать 1 ГэВ/Фм3. Существуют также полуфеноменологические оценки условий существования такого фазового перехода. Имеются предположения, что состояние материи из кварков и глюонов могло существовать в начальной стадии Большого взрыва при образовании нашей Вселенной, когда вещество было горячим и плотным.

Исследование свойств и динамики КХД вещества при экстремальных условиях затрагивает многие фундаментальные проблемы физики, такие как: природа конфайнмента и восстановление киральной симметрии, космология ранней вселенной, астрофизика компактных объектов. Помимо этого в ходе осмысления получаемых экспериментальных данных стал развиваться новый математический подход для расчетов сильного взаимодействия в рамках

непертубативной КХД с большой константой связи. Этот подход основан на использовании дуальности между теорией калибровочных полей и суперструнными моделями (AdS/CFT duality).

С середины 70-х годов 20-го столетия начинается интенсивное экспериментальное и теоретическое исследование возможности образования вещества из слабо связанных кварков и глюонов в лабораторных условиях. Основным инструментом экспериментальных исследований стали ускоренные пучки тяжелых ядер и их столкновения с ядерными мишенями.

Важным этапом в физике ядер при релятивистских энергиях был запуск в 2000 году ускорителя на встречных пучках, Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, в Брукхевенской национальной лаборатории США. Он был разработан и построен преимущественно под программу изучения столкновений ядер с массой вплоть до золота и энергией 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов.

Одним из наиболее важных результатов с RHIC явилось обнаружение подавления струй адронов в веществе, образованном при столкновении ядер. Было показано, что такое поглощение отсутствует в обычной ядерной материи и не является эффектом начального состояния. Этот и другие наблюдаемые эффекты (наличие большой азимутальной асимметрии рожденных частиц, наблюдение скейлинга эллиптического потока по числу конституентных кварков, сильное подавление при больших поперечных импульсах частиц с тяжелыми кварками и другие явлениия) по-прежнему бурно обсуждаются в свете скорого запуска Большого адронного коллайдера в CERN.

Данная работа посвящена изучению одного из указанных явлений: обнаружению эффекта подавления заряженных адронов с большими поперечными импульсами.

Цель и методы исследования

Основными задачами данной работы являются:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для исследования свойств вещества, образованного при столкновении релятивистских ядер с энергией Vsnm=200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов на ускорительном комплексе RHIC в БНЛ, США.

2. Исследование процессов рождения заряженных адронов с большими поперечными импульсами вплоть до 10 ГэВ/с в условиях образования ядерной среды с большой плотностью энергии и температуры для комбинаций сталкивающихся ядер Au+Au в зависимости от центральности. Определение свойств образующейся материи.

3. Проведение базисных (нормировочных ) измерений выходов заряженных адронов для системы d+Au в условиях обычной ядерной плотности и для протон-протонных соударений при той же энергии пучка в идентичных условиях проведения эксперимента.

4. Сопоставление экспериментальных данных по заряженным адронам с результатами аналогичных измерений для идентифицированных адронов, где это возможно с целью получения дополнительной информации о свойствах образующейся среды.

Ускорительный комплекс RHIC был создан в первую очередь для исследования столкновений релятивистских ядер с энергией VsNN=200 ГэВ. До начала работы Большого адронного коллайдера, LHC, в CERN, RHIC является уникальным инструментом для исследования ядро-ядерных соударений при максимально достижимой на настоящий момент энергии. Возможность ускорения пучков протонов и дейтронов позволяет с минимальными систематическими ошибками сопоставить экспериментальные результаты для соударений нуклон-нуклон и ядро-ядро.

Установка PHENIX является одной из четырех установок, созданных на встречных пучках RHIC. PHENIX состоит из центрального спектрометра и двух мюонных спектрометров. В данной работе используется центральный спектрометр, который был разработан и создан для исследования рождения частиц в центральной области быстрот. Его основными элементами являются: магнит с аксиально симметричным полем в направлении сталкивающихся пучков, трековая система заряженных частиц, электромагнитный калориметр на основе комбинации свинцовых пластин и сцинтилляторов, калориметр из свинцового стекла, газовый детектор излучения Вавилова-Черенкова, времяпролетной системы и комплекса детекторов для определения общих и глобальных параметров столкновения.

центральной части спектрометра для избежания многократного рассеяния и нежелательных вторичных взаимодействий; в) высокоточное определение центральности столкновения двух ядер по детекторам множественности, расположенных под большими быстротами; г) возможность проведения меченая взаимодействующего нуклона из ядра дейтрона при измерении комбинации с1+Аи; д) возможность комплексного исследования реакций посредством одновременного измерения разных типов частиц в идентичных экспериментальных условиях.

Созданная установка позволила устранить или корректно учесть все возможные фоны при изучении процессов рождения заряженных адронов при поперечных импульсах (рт) до 10 ГэВ/с. Посредством детекторов множественности и калориметров нейтронов спектаторов удалось разделить события по центральности взаимодействия и величине прицельного параметра столкновений ядер золота по золоту.

Проведены измерения в столкновениях р+р и ё+Аи при той же энергии в системе центра масс как и для Аи+Аи соударений. Данные по измерению столкновений малонуклонных систем явились отправной базой для сопоставления с результатами для комбинации Аи+Аи. Использование передних калориметров под нулевыми углами для реакции с!+Аи обеспечили уникальную возможность сопоставления реакций нейтрон-ядро и протон-ядро при энергии Узмц=200 ГэВ.

Экспериментальные данные по выходам заряженных адронов были сравнены с результатами измерений для нейтральных я-мезонов и прямых фотонов. Были получены дополнительные экспериментальные подтверждения наличия эффектов подавления выходов адронов с большими поперечными импульсами и справедливости бинарного скейлинга для жестких процессов.

Научная новизна работы

является одним из самых значимых результатов, полученных на ЯШС. Этот результат служит прямым указанием на образование в ядро-ядерных соударениях вещества, существенно отличающегося от обычной ядерной материи. Зона взаимодействия двух релятивистских ядер служит сильным поглотителем быстрых партонов, приводя к фактору подавления порядка пятерки.

Выполнены новые измерения сечений рождения заряженных адронов в зависимости от центральности Аи+Аи соударений и получена зависимость фактора подавления быстрых партонов от числа нуклонов участников. Решающим фактором, позволившим провести измерения спектров адронов с верхней границей по поперечному импульсу до 10 ГэВ/с, явилось изучение источников фонов, а также разработка методов их подавления.

На основании изучения формы спектров получено указание, что для всех центральностей при больших импульсах рождение адронов происходит посредством жестких партон-паргонных столкновений.

Впервые выполнены измерения реакций р+р и (1+Аи при энергии Узмк=200 ГэВ. Показано, что спектры энергичных заряженных адронов в р+р столкновениях хорошо описываются в рамках пертубативной КХД. Это служит надежным указанием на правильность используемых предположений при описании жестких процессов.

Отсутствие подавления выходов адронов в системе ё+Аи, где образование плотной и горячей ядерной материи не ожидается, явилось поворотным моментом в интерпретации данных по Аи+Аи. Результаты, полученные для системы (1+Аи, подтвердили, что наблюдаемое подавление в столкновениях золото по золоту не является эффектом начального состояния взаимодействующих нуклонов ядер.

Впервые изучен эффект усиления выходов адронов (так называемый эффект Кронина) в нуклон-ядерных и дейтрон-ядерных столкновениях при энергии ^яш=200 ГэВ. Оказалось, что вопреки ожиданиям эффект не исчезает с увеличением энергии пучка. Впервые исследовано поведение амплитуды эффекта от среднего числа последовательных нуклон-нуклонных соударений (V), испытываемых нуклоном дейтерия. Было получено, что амплитуда эффекта Кронина не увеличивается линейно с v, а быстро насыщается за одно-два дополнительных столкновения нуклона.

Впервые с использованием метода мечения протона спектатора из ядра дейтерия в с1+Аи столкновениях измерена реакция п+Аи с участием нейтрона

при энергии 200 ГэВ. Отсутствие пучков нейтронов таких энергий делает эта измерения уникальными. Оказалось, что процессы рождения частиц в р+Аи и n+Au в центральной области быстрот в пределах экспериментальных ошибок идентичны при высоких энергиях, различия в зарядах или изоспине не проявляются. Полученный результат был ожидаем, однако его экспериментальное измерение является важным фактом для подтверждения правильности описания соударений с участием ионов золота, в ядре которого число нейтронов в полтора раза больше числа протонов.

Сформулирован новый подход к описанию величины эффекта подавления быстрых партонов. Многие экспериментальные данные объяснены в предположении наличия конечного слоя ядерного вещества, который не поглощает быстрые партоны. Этот слой образует прозрачную корону в начальный момент взаимодействия. На периферии зоны соударений толщина слоя должна быть порядка 2-3 Фм. На уровне гипотезы предлагается физическая интерпретация этого слоя, как возможное проявление конечного времени формирования среды. Ближе к центру зоны взаимодействия это время, скорее всего, гораздо меньше, однако сейчас трудно дать его численную оценку. В предлагаемом подходе удается успешно описать зависимость подавления выходов адронов от числа нуклонов участников, от ориентации рожденной частицы относительно плоскости реакции. Наличие существенной азимутальной асимметрии в рождении частиц с большими импульсами объясняется геометрией столкновения ядер. Даны численные оценки другим наблюдаемым эффектам.

Научная и практическая ценность работы

Результаты других измерений, где наблюдается наличие большого эллиптического и радиального потока в спектрах частиц, подавление тяжелых кварков с очарованием и многие другие результаты указывают на наличие сильного взаимодействия между конституентами возникающей среды.

Результаты явились надежным критерием в оценке существующих теоретических моделей.

Полученные результаты стимулировали развитие новых теоретических направлений по описанию свойств ядерного вещества с большой плотностью энергии и высокой температуры. Помимо существовавших ранее расчетов в рамках пертубативной квантовой хромодинамики и вычислениях на решетке результаты с RHIC о наблюдении подавления быстрых партонов послужили толчком к возникновению новых методов описания сильно взаимодействующей КХД-среды в рамках дуальности между моделями суперструн в пятимерном пространстве анти-ДеСиттера и теорией конформных полей (AdS/CFT duality).

Важную практическую ценность полученные результаты представляют для проведения предварительных оценок в рождении адронов, интенсивности и загрузок детекторов для нового комплекса Большого адронного кол-лайдера (LHC) в Европейском центре ядерных исследований (CERN).

Вклад автора днссеотапии

В физических результатах по исследованию выходов заряженных адронов при больших поперечных импульсах, в работах, которые были опубликованы по теме диссертации, вклад автора является определяющим.

Автор внес решающий вклад в разработку и изготовление высоковольтной системы, системы охлаждения электроники и помехоустойчивому выводу сигналов для дрейфовых камер центрального спектрометра PHENIX. Будучи на протяжении семи лет ответственным экспертом по эксплуатации дрейфовых камер во время проведения физических измерений, членом Координационного совета по детекторам эксперимента PHENIX, автор внес существенный вклад в обеспечение успешной работы трековой системы установки.

Автор внес существенный вклад в разработку регистрирующей электроники.

Вклад автора является определяющим в исследовании и оценке влияния фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах в реакциях Au+Au, d+Au и р+р.

Автор внес существенный вклад в исследование систематических ошибок в измерениях спектров для Au+Au и d+Au столкновений.

Вклад автора был определяющим в анализе экспериментальных данных с использованием мечения нуклонов в реакции d+Au.

Формулировка гипотезы о возможном существенном влиянии конечного времени формирования ядерной среды в Au+Au столкновениях и описание экспериментальных данных в рамках предложенного подхода сделаны исключительно автором.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и создана аппаратная инфраструктура дрейфовых камер для центрального спектрометра установки: схема и метод вывода 12 тысяч сигналов из герметичного объема камер, высоковольтная система, системы охлаждения и магнитной защиты электроники. Центральный спектрометр установки PHENIX позволил проводить трекинг заряженных частиц и измерение импульса в условиях большой множественности, до 700 треков на одно плечо спектрометра в центральной области быстрот з = +/-0,35. Технической особенностью спектрометра является надежная помехоустойчивая работа детекторов и электроники в условиях сильной компактности расположения составных частей.

2. Измерены выходы заряженных адронов с поперечным импульсом до 10 ГэВ/с в реакциях Au+Au, d+Au и р+р. Характерной особенностью измерений явилось успешное преодоление проблемы фонов при больших импульсах. Основными -источниками фонов в условиях эксперимента оказались распады каонов и конверсия фотонов на веществе. Разработаны методы их оценки и способы вычитания.

3. Обнаружен эффект подавления заряженных адронов с большими поперечными импульсами в центральных Au+Au столкновениях при энергии Vsnn=200 ГэВ и 130 ГэВ. Был введен ядерный модификационный фактор Raa на основании которого получен фактор подавления порядка пяти в самых центральных соударениях (Raa~ 0,2). Этот результат наряду с измерениями идентифицированных частиц является одним из наиболее значимых подтверждений об образовании плотного ядерного вещества со свойствами отличными от свойств ядерной материи в обычных ядрах.

4. Измерены спектры заряженных адронов в р+р столкновениях, которые показали, что спектры описываются теоретическими расчетами в пертуба-тивной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в об-

щем понимании процессов рождения частиц с большими поперечными импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях.

5. Дано сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами. На основании этого получены оценки на плотность глюонов (dNs/d3 = 1 ООО) в центральной области быстрот и степень потери энергии быстрым партоном в образованной среде (до dE/dx~ 14 ГэВ/Фм) Отмечено расхождение в теоретических подходах.

6. Измерены выходы заряженных адронов в d+Au столкновениях. На основании этих измерений было подтверждено, что эффект подавления в центральных Au+Au не является эффектом начального состояния, а связан со взаимодействием в образованной плотной среде.

7. Измерены реакции p+Au и n+Au с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при энергии 200 ГэВ является уникальным.

8. Предложена гипотеза о конечном времени формирования среды. Существенное подавление быстрых партонов происходит с запаздыванием, которое на периферии области взаимодействия ядер составляет порядка 2-3 Фм/с. В рамках модели описаны многие наблюдаемые параметры для описания рождения частиц с большими поперечными импульсами: поведение фактора Ядд, параметр азимутальной асимметрии v2, фактор подавления противоположной по азимуту струи 1Ал.

Апробации работы и публикации

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались автором на многих международных и отечественных конференциях, совещаниях и семинарах: Международные конференции Quark Matter, Шанхай, 2006; 40-th Recontres de Moriond, QCD and high energy hadronic interactions, Италия 2005; The 22nd Winter Workshop on Nuclear Dynamics, La Jolla, California, USA, 2006; Международное рабочее совещание по релятивистской ядерной физике, Варна, 2001, Рабочее совещание Relativistic Nuclear Physics, Киев, 2007, Ежегодное совещание Отделения физики РАН, ИТЭФ, 2007 и др.

Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 15 работ, включая 10 статей в рецензируемых журналах.

Структура диссертации

Диссертация состоит из Введения (Глава 1), шести глав и Заключения (Глава 8). Объем диссертации составляет 153 страницы, включая 114 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает в себя 113 наименований.

Содержание диссертации

Во Введении (Глава 1) раскрывается актуальность научной проблемы, изучению которой посвящена настоящая работа. Изложены цель и методы исследования, научная новизна и практическая ценность работы, представлены положения, выносимые на защиту, вклад автора, а также кратко описана структура диссертации и апробация работы.

В Главе 2 дана постановка физической проблемы исследуемой в данной работе. Дается краткий обзор по возникновению и развитию физики ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях.

60-70 годы 20-го столетия ознаменовались построением фундаментальной теории сильного взаимодействия элементарных частиц — квантовой хромодинамики, КХД. Основополагающую роль в этом сыграли теоретические работы, как в Советском Союзе, так и за рубежом. Предположение о наличии кварков и глюонов с дополнительным квантовым числом, которое получило термин цвет, явилось поворотным моментом для возникновения КХД. На протяжении 40 лет КХД получило огромное число экспериментальных подтверждений. В 1968 году в реакциях рассеяния электронов на нуклонах было обнаружено наличие точечных объектов партонов, составляющих нуклоны. Предположение в 1973 году об асимптотической свободе кварков и глюонов, то есть об очень слабом их взаимодействии при больших энергиях, явилось простым объяснением наличия партонов в электрон-нуклонном рассеянии. Наблюдаемые партоны следует отождествить с кварками и ппоонами. Было показано, что бегущая константа связи сильного взаимодействия уменьшается с увеличением переданного импульса (уменьшением расстояния между взаимодействующими партонами) между кварками и/или глюонами.

Одним из важных экспериментальных подтверждений о наличии кварков послужило обнаружение закономерностей в глубоко неупругом рассеянии с участием адронов. На основании принципа автомодельности и привлечения

модели квазисвободных кварков было сформулировано правило кваркового счета. При рассеянии адронов а+Ь->с+с1 с большими переданными импульсами на разные углы и при разной энергии, б, в соответствии с экспериментом должно наблюдаться степенное падение спектров со степенью равной сумме конституентных кварков адронов, п=па+пь+пс+па. Экспериментальное наблюдение кваркового счета явилось реальным подтверждением наличия физического смысла цветных объектов, кварков.

Конфайнмент кварков является другой стороной асимптотической свободы кварков и глюонов. Отсутствие свободных кварков, их удержание внутри нуклона на расстоянии порядка 1 Ферми могут быть объяснены антиэкранированием. В процессе увеличения расстояния между кварками глюо-ны начинают рождать новые глюоны из вакуума, которые только усиливают взаимодействие. Расчет конфайнмента затруднен, поскольку взаимодействие становится сильным и не может быть описано в рамках пертубативной КХД. Однако численное моделирование КХД на решетке подтверждает наличие конфайнмента.

Возможность существования кварков и глюонов в большом объеме в фазе деконфайнмента было предположено в 1975 году для объяснения стабильности нейтронных звезд. В это же время делается предположение, что подобная фаза может существовать в начальной стадии Большого взрыва при образовании нашей Вселенной, когда вещество было горячим и плотным. Фактически с этого времени начинается история интенсивного экспериментального и теоретического исследования возможности образования вещества из слабо связанных кварков и глюонов в лабораторных условиях.

Столкновения двух ядер с релятивистской энергией является основным экспериментальным способом достижения большой плотности энергии и температуры. Был введен термин кварк-глюонная плазма (КГП) для описания состояния ядерного вещества в фазе деконфайнмента из кварков и глюонов. На рис.1 схематически показаны границы различных форм КХД вещества в переменных температуры и барионного химического потенциала.

mUld = 0; ms = сю

QGP

150 MuV

, _ Tvicritícal PoiJit

Hadronic

Рис.1 Теоретическая фазовая диаграмма КХД вещества для безмассовых кварков как функция температуры Т и барионного химического потенциала ц. Линиями отмечены три фазы: адронный газ, кварк-глюонная плазма и цветная сверхпроводимость

Систематическое исследование ядро-ядерных столкновений на пучках релятивистских ионов было начато более 30 лет назад. Существенным продвижением в физике ядер при релятивистских энергиях был запуск в 2000 году ускорителя на встречных пучках, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) в БНЛ. Он был разработан и построен преимущественно под программу столкновения ядер вплоть до золота с энергией 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов.

В нуклон-нуклонных столкновениях при энергии RHIC неупругое сечение N-N составляет около 80% от полного сечения. В одном соударении Au+Au происходит множество неупругих N-N взаимодействий в течение очень короткого времени за счет лоренцевского сжатия. Область взаимодействия также сжата в лабораторной системе. Последующие взаимодействия рожденных частиц за счет взаимного рассеяния перераспределяют энергию в область центральных быстрот. Образующаяся система частиц существует в лабораторной системе на время соизмеримое с размерами ядер, то есть порядка 5-10 Фм/с. Плотность энергии частиц в центральной области быстрот может быть оценена по формуле Бьёркена:

где Ет есть средняя поперечная энергия частицы, т=1 Фм/с есть типичное время формирования частиц, 1=1,18 Фм равняется радиусу нуклона, сИМ/ёу есть множественность частиц на единицу быстроты в центральной области.

е=Ет/ (т0лг2А2/3) *dN/dy

(1)

При энергии RHIC с использованных экспериментально измеренной множественности частиц и их средней энергии на PHENIX была получена оценка е~5 ГэВ/Фм3.

При энергии RHIC в р+р столкновениях жесткое рассеяние (процессы с большой передачей импульса) является доминирующим процессом при рождении частиц с поперечным импульсом рт>2 ГэВ/с. Жесткие процессы в ну-клон-нуклонных столкновениях могут быть рассчитаны в пертубативной КХД (пКХД) с привлечением теоремы факторизации: сечение записывается через произведение независимых вероятностей распределения партонов в нуклоне, их сечения взаимодействия и последующую фрагментацию партона в адроны. Это приближение хорошо описывает экспериментальные данные р+р, рис. 2.

Рт (ОеУ/с)

Рис. 2. Инвариантные сечения для я0 в центральной области быстроте р+р столкновениях при энергии 200 ГэВ (точки) совместно с расчетами по пКХД(сплошная и пунктирная кривые), а), б) Относительная статистическая (точки) и систематическая ошибка измерений (заштрихованная область), с) Относительная разность между экспериментальными данными и расчетами для двух параметризаций функции фрагментации партонов, БР

Данная работа посвящена исследованию жестких процессов, а именно рождению частиц с большими поперечными импульсами. В столкновениях ядер при энергии RHIC область взаимодействия перекрывает пространственный объем в несколько сотен кубических Ферми с плотностью энергии, достигающей несколько ГэВ/Фм3. Свойства образующегося вещества будут проявляться в спектрах экспериментально наблюдаемых частиц. В частности, потеря энергии быстрыми партонами в цветной среде должна приводить к подавлению их спектров при больших импульсах. Однако быстрые партоны не могут быть непосредственно наблюдаемы. При высоких энергиях партоны фрагментируют в адроны в узком угловом конусе относительно первичного партона. Возникает струя адронов, сфокусированная вокруг лидирующего адрона. Из-за большой множественности частиц в ядро-ядерных столкновениях образующиеся струи адронов не могут быть однозначно выделены. Поскольку адроны с рт>2 ГэВ/с являются преимущественно лидирующими частицами от фрагментации партонов, измерение спектров частиц при больших рт является надежным способом исследования рождения струй.

Для численного определения эффектов среды на рождение энергичных частиц используют ядерный модификационный фактор RAa, который является оценкой выхода измеренных частиц в А+А столкновениях по сравнению с ожидаемым выходом, опираясь на бинарный скейлинг и результаты в р+р столкновениях.

Паа^выход в А+А)/[(выход в p+p)*Nbinar>,], (3)

где Nbiruuy есть среднее число независимых нуклон-нуклонных соударений в конкретном А+А столкновении. В силу малости сечения жестких процессов такое предположение является верным. При отсутствии эффектов начального или конечного состояния в А+А соударениях RAA должно равняться единице. Отличие RAA от единицы будет указывать на наличие дополнительных эффектов.

Последующие главы посвящены детальному и всестороннему изучению эффектов влияния среды на рождение заряженных адронов (без идентификации их по типу или массе) при больших поперечных импульсах.

В Главе 3 дано краткое описание установки PHENIX и трекинга заряженных частиц в центральном спектрометре. Эксперимент PHENIX, the Pioneering High Energy Nuclear Interaction experiment, является одним из че-

тырех детекторов, построенных на ускорительном комплексе RHIC. Физическая задача PHENIX заключается в экспериментальном исследовании сильных взаимодействий при большой плотности и температуры в столкновениях тяжелых ядер, в результате которых предполагается образование нового состояния ядерного вещества: кварк-глюонной плазмы, КПП. За годы работы на установке было исследовано несколько сталкивающихся систем: Au+Au, d+Au, р+р при значениях энергии 200 ГэВ и 130 ГэВ.

PHENIX содержит несколько основных частей: центральный спектрометр, состоящий из двух плеч, два мюонных спектрометра, расположенных под углами вперед по направлению сталкивающихся пучков и набор детекторов для определения общих характеристик столкновения, рис. 3.

/V PHENIX Detector ж JBÊÊr ,га ""g*

JBBHhL /ШШЯИЛи

ШЯШЯЯШШШШШШЯЛ

West k Beam Viê?' ÊasF

Рис. 3. Схема расположения основных спектрометров PHENIX. На верхней панели показаны два плеча центрального спектрометра. Ядра сталкиваются в центре, направление ускоренных пучков ориентировано перпендикулярно плоскости рисунка. Для трекинга заряженных частиц используются дрейфовые камеры (DC) и падовые камеры (PCI, РС2, РСЗ). На нижней панели показаны мюонные спектрометры (вид сбоку), направление пучков идет слева направо и наоборот

В настоящей работе использовались результаты измерений, полученные в центральном спектрометре. Центральный спектрометр является магнитным спектрометром и обеспечивает аксиальное поле относительно точки столкновения, ориентированное параллельно направлению пучков. Каждое плечо центрального спектрометра имеет захват по 90 градусов в азимутальном направлении и Дт|=±0, 35 вдоль направления пучков. Спектрометр состоит из трековой системы для регистрации заряженных частиц и электромагнитного калориметра. Калориметры на основе свинцово-сцинтилляцион-ных модулей (PbSc) и свинцового стекла (PbGI) регистрируют фотоны и энергичные электроны.

Трековая система центрального спектрометра состоит из набора проволочных камер. Дрейфовые камеры (DC) имеют высокую координатную точность и обеспечивают импульсное разрешение. Пропорциональные падовые камеры (PCI, РС2, РСЗ) определяют 3-х координатное положение трека, используются в алгоритме поиска трека и обеспечивают возможность подавления случайных фонов.

Анализ заряженных частиц по импульсу осуществляется по углу отклонения трека магнитным полем в азимутальной плоскости. Величина отклонения трека от направления по радиусу в месте расположения дрейфовых камер служит определителем поперечного импульса частицы.

В каждом из плеч центрального спектрометра расположены газовые детекторы черенковского излучения (Ring Imaging CHerenkov detectors, RICH). Они идентифицируют электроны. RICH регистрирует заряженные пионы с импульсом выше 4,8 ГэВ/с. В восточном плече спектрометра расположены времяпролетная система (TOF) для идентификации массы частиц по времени пролета, а также проволочные камеры переходного излучения (ТЕС, в данном анализе они не использовались). TOF имеет внутреннее временное разрешение порядка 85 пикосекунд и позволяет отделять каоны от пионов до 2,5 ГэВ/с и протоны до 4,5 ГэВ/с.

Детекторы для измерения общих или глобальных характеристик столкновения состоят из калориметров под нулевым углом (Zero Degree Calorimeter, ZDC), детекторов пучка (Beam-Beam Counters, ВВС) и передних калориметров для регистрации протонов-фрагментов из провзаимодейство-вавших ядер (Forward CALorimeter, FCAL). По ним определяется центральность столкновения и на основании их сигналов вырабатываются триггеры

событий. Относительное положение глобальных детекторов показано на рис. 4. Р'САЬ применялся только для анализа данных в ё+Аи столкновениях.

Трековые детекторы центрального спектрометра. А Основным детектором для нахождения трека и определения его импульса являются две дрейфовые камеры, расположенные в Восточном и Западном плече спектрометра. Дрейфовые камеры являются проволочными камерами с особым режимом фокусировки. Камеры содержат малое количество вещества для минимизации многократного рассеяния и обеспечивают надежную регистрацию треков в самых центральных Аи+Аи столкновениях при множественности рождения заряженных частиц до (1НЛ1у=700. Помимо этого ПС имеют пространственное разрешение не хуже 150-мкм, возможность выделения двух треков на расстоянии не более 1,5~мм. Электроника регистрации обеспечивает поддержание считывания до пяти последовательных триггеров событий.

О А/Г А 10

Meters

Рис. 4. Схема расположения глобальных детекторов PHENIX, вид сверху. Приведен случай столкновения пучков дейтерия (d) и золота (Au). По вертикали масштаб рисунка условный, На вставке показаны направления пучков, положение ZDC и FCAL и фрагменгов-спектаторов пучка дейтерия (нейтронов и протонов) в разрезе А-А

Каждая из DC представляет собой цилиндрическую арку изготовленную из титана с внутренним радиусом 2 м, наружным радиусом 2,4 м и азимутальным углом захвата 90°, рис. 5.

Рис. 5. Внешняя конструкция арки дрейфовой камеры

Чувствительная область камеры в направлении Ъ вдоль пучка примерно 1,8 м при полном размере 2,5 м. Разработка конструкции камеры, изготовление арок и внутренних проволочных модулей осуществлялась в Петербургском Институте ядерной физики, Гатчина. Электроника считывания и внешняя инфраструктура камер (высоковольтная система, коммутация между внутренними проволочками и внешней регистрирующей электроникой, система охлаждения и др.) разрабатывались в Университете в Стони Брук.

Каждая арка разбита по азимутальному углу ф на 20 секторов по 4,5° каждый. Боковые части арки разделены на сектора ребрами жесткости. Камера собирается из независимых модулей установленных последовательно в каждом секторе вдоль радиуса: XI, 1Л, VI, Х2, Ш, V2. Расположение модулей в секторе показано на рис. 6.

Каждый модуль содержит чередующиеся по ф 4 анодные и 4 катодные плоскости. Они обеспечивают промежутки дрейфа в 2-2,5 см в ф направлении. В Х-модуле по радиусу расположено 12 слоев сигнальных проволок. Каждый и и V модуль содержит по 4 сигнальных плоскости, расположенных по радиусу. В результате мы имеем в анодной плоскости совокупность из 12+4+4+12+4+4=40 чувствительных проволок по радиусу арки. Полное число каналов для двух камер равно 12800.

Электроника считывания с дрейфовых камер разрабатывалась группой из американской Национальной лаборатории в Ливерморе совместно с группой Университета в Стони Брук. Электроника считывания состоит из трех основных частей: усилителей с формирователями сигналов, время-цифровых

преобразователей с буферизацией информации и системы организации считывания. Электроника находится непосредственно на камере и размещается в 20 секторах с каждой стороны камер. Считывание информации в каждом секторе происходит по оптоволокну.

«.Jut.

Sector, side view

Рис. 6, Расположение модулей и проволочных плоскостей в одном секторе дрейфовой камеры. Отдельно на вставке показана конфигурация чередования проволок-электродов в анодной (она же сигнальная) плоскости. Справа показан вид на проволочки сверху арки вдоль радиуса. Условно отмечено направление проволок в модулях типа X и в стерео модулях UV

Одной из сложных технических задач была проблема выделенного электроникой тепла, которое составляет примерно 1,5 киловатт на каждую сторону считывания камеры. Было отдано предпочтение варианту водяного охлаждения с использованием технологии тепловых трубок.

Следующей задачей при разработке считывающей электроники было обеспечение ее помехоустойчивости от высокочастотных генераций и возможных шумовых наводок на проволоки и предусилители. Из-за компактности детекторов и электроники в центральном спектрометре вопрос стабильности электроники являлся чрезвычайно важным. Проблема устойчивости системы считывания с DC решалась сразу несколькими способами. Во-первых, все платы электроники являются 9- или 10-слойными с максималь-

ным внутренним экранированием высокочастотных линий. Во-вторых, решающим фактором является способ вывода сигналов из камеры и их соединение с усилителями. Это в свою очередь неразрывно связано с системой подачи высоковольтных напряжений и их фильтрации. Комплексный подход к разработке высоковольтной системы и методу вывода сигналов из объема камеры позволил добиться надежной помехоустойчивой работы дрейфовых камер.

Падовые камеры (PCI, РС2, РСЗ) использовались при поиске треков и для отсечения фоновых частиц. Они являются многопроволочными пропорциональными камерами. Каждый детектор состоит из проволочной анодной плоскости, которая расположена в газовом объеме между двумя твердыми катодными плоскостями. Одна из катодных плоскостей сегментирована в виде падов или пикселей. Заряд, наведенный на пады катода в результате газового усиления на аноде, считывается электроникой и дает 2-мерную координату трека. РС1 имеют разрешение 1,7 мм по z-координате и около 3 мм для межанодного направления. В РС2 и РСЗ разрешение вдвое хуже. Каждый тип камер разбит по азимутальному углу на 8 независимых секций. Полное число каналов электроники равно 172,8 тысяч. Рабочий газ DC и PC 50% аргона и 50% этана.

Детекторы идентификации частиц TOF и RICH использовались для оценки абсолютного импульса (TOF) и для отсечения фонов (RICH). Вре-мяпролетная система (TOF), расположенная в Восточном плече, перекрывает только 1/4 часть аксентанса плеча и измеряет время пролета частицы из вершины взаимодействия на базе около 5 метров. TOF имеет временное разрешение порядка 100 пикосекунд. При известном импульсе TOF позволяет идентифицировать частицы по массе.

В обоих плечах центрального спектрометра расположены детекторы че-ренковского излучения RICH. Основной задачей RICH является выделение электронов на большом фоне пионов. Детекторы заполняются углекислым газом при атмосферном давлении и имеют объем по 40 м3 с размером входного окна 8,9 м2,

Детекторы глобальных параметров соударений ВВС, ZDC, FCAL позволяют в ядро-ядерных столкновениях определить общие характеристики взаимодействия, такие, как момент столкновения, множественность частиц, плоскость реакции, прицельный параметр. ВВС обеспечивают временную

отметку и положение по z-координате для каждого взаимодействия. Это время является стартом для времяпролетной системы TOF. Совпадение сигналов с двух ВВС является основным минимальным триггером первого уровня для запуска считывания остальных детекторов PHENIX. BBCs представляют собой две сборки счетчиков черенковского излучения из кварцевого стекла со считыванием фотоумножителями и расположены сразу за полюсами центрального магнита на расстоянии 144 см от центра спектрометра, рис. 4. Одна сборка состоит из 64 фотоумножителей с приклеенными радиаторами толщиной 3 см. Для оценки центральности события используется суммарный сигнал с фотоумножителей ВВС. Величина этого сигнала линейно растет с числом детектируемых частиц в ВВС.

Помимо ВВС для определения центральности используются ZDC. ZDC расположены на расстоянии в 18 метров от середины центрального спектрометра под нулевым углом по направлению пучков за первым отклоняющим магнитом DX, Рис. 4, который отклоняет все заряженные частицы. За счет этого ZDC регистрируют нейтроны-спектаторы или испарительные нейтроны, которые являются остатками не провзаимодействовавших ядер. Сигналы из ZDC используются для выработки триггеров, для временных измерений и определения положения вершины взаимодействия, для оценки центральности столкновения и для контроля светимости пучков. Энергетическое разрешение ZDC для одного 100 ГэВ нейтрона составляет 28 ГэВ. На Рис. 7 показан метод селекции событий по центральности с использованием сигналов

Рис. 7. Корреляция энергии, выделенной в и суммарным зарядом о фотоумножителей ВВС. Прямыми линиями показаны области разбивки событий по

группам центральности. Самые центральные события расположены справа при максимальном сигнале с ВВС

Передние калориметры FCAL или Forward CALorimeters были использованы только для измерений в d+Au столкновениях. Они являются функциональным аналогом ZDC и служат для измерения протонов-спектаторов. FCAL является адронным калориметром. Каждая сборка FCAL расположена за первым магнитом DX, Рис. 4, который отклоняет все заряженные частицы. За счет большего отношения заряд/масса протоны отклоняются на более чем в два раза больший угол, чем непровзаимодействовавшие ядра пучка. Таким образом, FCAL регистрирует отклоненные протоны. В случае столкновений d+Au комбинация из ZDC и FCAL, расположенных в области фрагментации дейтрона, позволяет проводить мечение и выделять события протон-ядро или нейтрон-ядро.

В Главе 4 описан анализ экспериментальных данных. Основной задачей анализа является определение значений инвариантных сечений рождения заряженных адронов. Верхний предел спектра по импульсу определяется увеличивающимся фоном при больших импульсах. Этот фон возникает от распадов частиц с малыми импульсами и от взаимодействий в веществе перед детекторами и на полюсах магнита. Продукты распада и вторичные взаимодействия, возникающие на расстоянии от вершины ядерного столкновения, как правило отклоняются от первоначального направления частицы и могут быть восстановлены трековой системой как частицы с большими импульсами. Причина этого заключается в специфике расположения детекторов на PHENIX: трек измеряется на расстоянии в 2 метра от взаимодействия. Рас-падные частицы с малыми импульсами пересекут только часть зоны магнитного поля и отклонятся на меньший угол, чем это следовало, если бы частица родилась в центре магнитного поля. Потребовалось тщательное исследование таких фонов.

Физические фоны можно разбить на три группы: распад короткоживу-щих частиц, конверсия фотонов в электроны на веществе, адронные ливни частиц от взаимодействия с веществом и магнитными полюсами, В таблице 1 представлен перечень частиц, которые при их распаде рождают частицы и будут восстановлены с ложными большими импульсами.

Таблица 1. Частицы дающие вклад в фон при реконструкции импульсов выше 5 ГэВ/с

у-конверсия Распады адронов Адронные ливни

е+ + е~ к±, ко, л, г, п 7t±, anti-p, anti-n

Возникновение фона при больших импульсах от распадов частиц иллюстрируется на рис. 8. На PHENIX треки с большими импульсами ориентированы под небольшими углами вдоль радиального направления. Если дочерняя частица распада имеет небольшой импульс, но в районе положения дрейфовой камеры летит под меньшим углом, то ее восстановленный импульс окажется гораздо больше. За счет специфики кинематики распада основной вклад в фон при больших импульсах дают распады каонов. Другим существенным источником фонов является конверсия фотонов на веществе перед детекторами. Было проведено детальное исследование источников фонов аналитически и моделированием методом Монте-Карло.

Мюоны распада меняют первоначальное направление родительской частицы и вылетают под углами более близкими к радиальному направлению

Разработаны два основных метода борьбы с фонами: привязка греков в падовых камерах РС2 и РСЗ и метод статистического вычитания фонов. При импульсе ниже 5 ГэВ/с дополнительно налагался сигнал вето с RICH. При статистическом методе использовалась форма распределения геометрической привязки фоновых треков в РСЗ. Для этого отбирались треки с реконструированным импульсом выше 10 ГэВ/с, которые, как показали расчеты по Монте-Карло, являются с большой долей вероятности чисто фоновыми. Распределения привязки таких треков в РСЗ гораздо шире, чем полезный сигнал. Фоны определяют все события с плохой привязкой за пределами 4 су, где ст определена для хороших треков. Для каждого интервала импульсов

ниже 10 ГэВ/с, используя информацию о форме привязки фоновых треков в РСЗ с нормировкой «хвостов» распределения в интервале (4-10) о, оценивалось число фоновых треков в полезном интервале привязки ±2ст. В результате удалось надежно промерить спектры заряженных адронов с поперечными импульсами до 10 ГэВ/с.

Важным этапом обработки явилась разработка критериев селекции событий по центральности с последующей оценкой числа провзаимодейство-вавших нуклонов ядер и полного числа бинарных нуклон-нуклонных столкновений. Определение центральности проводилось в несколько этапов. Сначала в моделировании подбирался близкий к реальности отклик фотоумножителей ВВС. Затем посредством генератора А+А событий разыгрывались различные центральности столкновений, которые восстанавливались в процессе моделирования. Оказалось, что при отборе событий эффективность ВВС триггера равна еввс— 93,1 ±0,4%(стат.) ±1, 6%(сист.). С учетом эффективности регистрации в ТО<2 эффективность снижается до 92%. Далее, с использованием полученной оценки эффективности спектр событий в гОС-ВВС (Рис. 7) разбивался на группы по 5/92 части от всех событий, начиная с событий в нижнем правом углу на рис. 7.

Для получения соотношений между интервалом по центральности и прицельным параметром столкновения двух ядер, числом нуклонов-участников и числом нуклон-нуклонных соударений использовалось моделирование взаимодействия ядер по модели Глаубера. Использовалось реалистичное распределение плотности нуклонов в ядре золота по формуле Вудс-Саксона. Для ядра дейтерия применялась волновая функция в зависимости от расстояния между двумя нуклонами. Для энергии в центре масс в 200 ГэВ использовалось неупругое нуклон-нуклонное сечение аш=42 миллибарн. В результате были получены таблицы соотношения центральности в процентах и прицельным параметром, числом провзаимодействовавших нуклонов ядер и числом бинарных нуклон-нуклонных столкновений.

Отдельное внимание было уделено выбору меченых событий в ё+Аи столкновениях. Для этого использовалась информация с 2ВС и РСАЬ со стороны фрагментации ядер дейтерия. На рис. 9 представлены события ё+Аи столкновений в переменных амплитуды в 20С и РСАЬ. Выделенные зоны соответствуют событиям для разных сталкиваний.

Рис. 9. Представление событий в переменных амплитуды в ZDCN и FCALN, расположенных в направлении фрагментации налетающих дейтронов. Сплошными линиями покачаны обрезки, которые выделяют pn+Au, p+Au и n+Au события

В Главе 5 описаны поправки и даны оценки систематических ошибок. После вычитания всех фонов полученные предварительные спектры заряженных адронов скорректированы на:

1 ) геометрический захват и потери за счет распадов,

2) потери при сшивке треков в падовых камерах,

3) влияние конечного импульсного разрешения и неопределенность на абсолютное разрешение по импульсу,

4) флуктуации измерений в течение всего набора статистики,

5) поправки, связанные с изменением множественности и загрузки детекторов.

Поправки, не связанные с загрузкой детекторов, были получены в виде одной функции зависящей от импульса частицы. Эта функция была определена с помощью программы GEANT Монте-Карло симулирования установки. Для каждого типа частиц п+, я-, К+, К-, р и анти-р было разыграно по 5 миллионов треков в интервале быстрот -0,6<у<0,6 , по азимутальному углу в пределах 0<ф<2т1 и интервале поперечных импульсов 0-10 ГэВ/с. Окончательно единая поправочная функция была получена с учетом реального состава заряженных адронов. Для этого использовались измерения PHENIX по выходам идентифицированных частиц.

При сшивке координат трека на РСЗ использовалась привязка в пределах ±2ст от распределений по d<j> и dz. В предположении формы распределения

привязки в виде функции Гаусса это должно давать эффективность при сшивке 94,4%. Однако форма распределения может быть другая. Для того, чтобы проверить насколько точно форма близка к Гауссовской и оценить возникающую ошибку, были проведены расчеты с обрезанием в пределах ±2,5ст и ±1,6ст. Полученные результаты поправлялись на соответствующую неэффективность обрезки, а затем сравнивались с результатами для случая ±2 ст. Вариации спектров при использовании различных сшивок колеблются в пределах нескольких процентов и не превышают 10%, рис. 10.

8 9

pт(Gev/c)

Рис. 10. Отношение скорректированных спектров при различных интервалах привязки треков в случае центральных столкновений

Существенной поправкой является оценка влияния импульсного разрешения и правильность определения абсолютного импульса. При больших импульсах и быстро спадающем спектре начинает сказываться эффект конечного импульсного разрешения: попадание треков с малым импульсом в высокоимпульсную часть спектра. Для оценки импульсного разрешения использовались данные по ширине спектра восстановленной массы частиц с помощью времяпролетной системы ТОР.

В ходе обработки результатов измерений оказалось, что значения абсолютного импульса несколько отличаются от предполагаемых оценок. Это связано с неточностями определения магнитного поля и геометрии располо-

жения детекторов. Сдвиг абсолютного значения поля приводит к смещению восстановленной массы, особенно для более тяжелых протонов и антипротонов. После введения поправочного множителя в 1,022 на абсолютный импульс, отношение массы протонов к табличному значению становится близко к 1 при всех значениях импульса. Исходя из разброса в 1.4% по ш2, мы определили погрешность по абсолютному импульсу в 0,7%.

Для оценки ухудшения разрешения с увеличением импульса использовалась Монте-Карло симуляция треков с реалистичным импульсным разрешением и с использованием последовательных итераций для подгона наклона симулированного спектра.

Абсолютный импульс известен с точностью ±0,7%. Оценка систематической ошибки, вызванной этой неопределенностью, была определена посредством сдвига измеренного импульса вверх и вниз на величину 0,7%*рт.

Характеристики трековых детекторов не остаются постоянными в течение нескольких месяцев измерений. Случайные проблемы с высоким напряжением в некоторых частях камер вызывают уменьшение аксептанса установки. Была введена систематическая ошибка на эти колебания.

Данные также поправлены на потерю эффективности регистрации за счет увеличения множественности треков. Такие поправки малы в периферийных соударениях, однако становятся важными с увеличением центральности. Для оценки этих потерь использовались симулированные греки, которые были включены в реальные события. Затем проводилась реконструкция всех треков и оценивалась вероятность не восстановить симулированный трек. Оказалось, что в периферийных соударениях эффективность восстановления треков превышает 98%, однако падает до 70±3,5% в самых центральных столкновениях.

Все указанные поправки и систематические ошибки отдельно оценивались для измерений Аи+Аи, с1+Аи и р+р.

В Главе 6 приводятся и обсуждаются полученные экспериментальные результаты. На рис. 11 приведены инвариантные выходы заряженных адро-нов в столкновениях Аи+Аи при энергии 200 ГэВ.

1—'—I—'—I—'—I—'—г

Au+Au 200 GeV « 0-10% ■ 20-30% a 40-50% Ф 60-70%

til*. 2

1 I I I I I I I I I I I I I

2 3 4 5 6 7 8

8 9 0

2 3 4 S

7 8 9

pT [GeV/c]

Рис. 11. Инвариантный выход заряженных адронов в зависимости от поперечного импульса для девяти классов центральности и при минимальном отборе триггера (minimum bias), данные, которые были умножены на фактор 5 для удобства построения. Энергия пучков 200 ГэВ. Показаны только статистические ошибки

В области малых импульсов для всех центральностей спектры имеют экспоненциально спадающую форму, однако в периферийных столкновениях спектры падают быстрее, чем в центральных соударениях. При больших импульсах форма спектров близка к степенной зависимости. Для более подробного изучения фбрмы спектров на рис. 12 приводится отношение спектров для каждого класса центральности относительно суммарного спектра без разбивки по центральностям (minimum bias). При импульсах более 4-5 ГэВ/с все отношения выполаживаются и не зависят от импульса. Это указывает на то, что при больших импульсах форма спектра примерно одинакова и мало зависит от центральности. Это говорит в пользу того, что форма спектров при больших рг определяется жестким рассеянием.

Подавление заряженных адронов с большими поперечными импульсами в Au+Au столкновения*. Как уже отмечалось, основным количественным фактором для исследования возможных эффектов среды на наблюдаемые спектры для жестких процессов является ядерный модификацион-ный фактор Raa.

V 0-10% в 20¿0% ' 40-¿0% : 60-70% * 80-92%

ililil

~1 ' 1 1 I 1 1 1 Г • 10-20% " 30-40% i 50-60% O 70-«)%

i.l I i 7

> 7 a pr (GeWc)

pT (GeV/c)

Рис. 12. Отношение отобранных по центральности рТ спектров к суммарному спектру без селекции по центральности (minimum bias). Отношения для периферийных событий умножены на указанный фактор для удобства сравнения

На рис. 13 показан ядерный модификационный фактор Raa Для (h++h")/2 в Au+Au столкновениях как функция от поперечного импульса рт для девяти классов по центральности и суммарных спектров с минимальным критерием отбора (miabias). При низких рт до 2 ГэВ/с, Raa для заряженных адронов монотонно растет для всех классов центральности. При рт>2 ГэВ/с Raa остается постоянным и близким к единице для самых периферийных столкновений. Напротив, в центральных соударениях этот фактор уменьшается и становится приблизительно постоянным на уровне 0,2-0,3 для рт>4 ГэВ/с. Там же для сравнения приводятся данные для нейтральных пионов. Различие Raa для нейтральных пионов и инклюзивных заряженных адронов в интервале 2<рт<4,5 ГэВ/с объясняется большой величиной отношения р/и наблюдаемое в центральных Au+Au столкновениях. Поскольку величина Raa примерно постоянна для рт>4,5 ГэВ/с, можно получить численное описание зависимости от центральности (числа нуклонов участников Npart) посредством интегрирования выходов выше 4,5 ГэВ/с, рис. 14. В периферийных соударениях при Npan <50 Raa согласуется со скейлингом по числу бинарных ну-клон-нуклонных столкновений. С увеличением центральности и Np^ Raa монотонно падает, достигая величины 0,23±0,03 (самые центральные 0-5% столкновения) для заряженных адронов и 0,24±0,02 (самые центральные 010% столкновения) для . Видно, что выход адронов плавно падает с увеличением числа нуклонов участников. Это подавление может быть естественным следствием потери энергии быстрым партоном и рождением адронов только у поверхности зоны взаимодействия.

в 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2

1.6 1.4 1.2

1 0.8 0.6 0.4 0.2

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

—1---1-Г—,-1—,—.—Г-

Au+Au 200GeV * h* + h" min. blas

□ и°

i • i ' i ■ i

10-20%

30-40%

e о

i ■ i ■ i ■ i

50-60%

I ' I ' [ ' I ' I ■ I ' I 70-80%

-1—i-1-i_I_._I_._I_i_l_i_L_

-■-1—'—I—1—r-

0-10%

о 0

-I ' I ' I ' I ' I ' ) ' I

20-30%

40-50%

i ' i ' i ■ i ■ 60-70%

i ' I ' I ■ I ' I ■ I 80-92%

-1—.-l—л_l—._I_,_I—■_L.

0123456701234567

pT [GeV/c] pT [GeV/c]

Рис. 13. Ядерный модификационный фактор Raa для (h++h")/2 и я0 в Au+Au столкновениях как функция от поперечного импульса рт для девяти классов по центральности и суммарных спектров с минимальным критерием отбора (min.bias) при энергии пучков 200 ГэВ

ОСЮеУ " (И* + И)/2

а Я0

1.4

3 а 8 я „ „ :

в о ш Я •

о 50 100 180 мо 380 300 мо

МП

Рис. 14. Яда в Аи+Аи столкновениях как функция от Ыр^ проинтегрированный для рт>4,5 ГэВ/с

Обнаружение подавления выхода адронов в центральных ядро-ядерных столкновениях при ^NN=130 ГэВ и л/5мц=200 ГэВ является одним из наиболее примечательных результатов 1Ш1С. Наблюдение фактора подавления в 4-5 раз при импульсе выше 4 ГэВ/с, которое не наблюдается при более низких энергиях или в р+А соударениях, указывает на сильное влияние образованной среды. В последние годы было предложено множество моделей для описания этого эффекта. Большинство из них основывается на предположении, что плотная цветная среда в фазе деконфайнмента будет вызывать излучение глюонов движущимся партоном. Модели отличаются по типу используемых основных параметров. В качестве значащих параметров используются: начальная плотность глюонов, которая может достигать, согласно некоторым оценкам, с1М8=1000; транспортный коэффициент я~3,5 ГэВ2/фм; коэффициент непрозрачности ЬА=3-4; эффективная потеря энергии на уровне с!Е/(1х~14 ГэВ/фм. Все они были подогнаны для согласия с экспериментальными данными.

Совершенно другая интерпретация эффекта подавления адронов с большими импульсами дается в предположении эффектов насыщения структурной функции глюонов. Такое насыщение должно быть связано с эффектами в начальном состоянии и не требует привлечения образования ядерного вещества с необычными свойствами или учета потери энергии быстрым пар-тоном. Для того, чтобы убедиться, что это не так, был проведен цикл кон-

рольных измерений в реакции сН-Аи. Возможные эффекты начального со-тояния должны проявляться в таких столкновениях, в то же время не ожи-(ается образование плотной и горячей ядерной среды. На рис. 15 приведены начения параметра 11ав для столкновений ё+Аи и Ы+Аи при разных цен-ральностях. Центральность группы А соответствует самым центральным 010% ё+Аи соударениям. Видно, что подавление отсутствует. Напротив, наедается слабое увеличение Лав за счет эффекта Кронина. Исследовано по-1едение амплитуды эффекта от среднего числа последовательных нуклон-[уклонных соударений (V), испытываемых нуклоном дейтерия. Показано, гго амплитуда эффекта Кронина быстро насыщается после 1-2 дополнительных перерассеяний нуклона.

Пучок ускоренных ядер дейтерия позволил провести уникальные изме->ения для столкновений нейтронов с ядрами золота при энергии ^NN=200 ГэВ. Для этого был использован метод мечения событий с прото-юм-спектатором из ядра дейтерия. Оказалось, что в центральной области ¡ыстрот в пределах экспериментальных ошибок на уровне 10% нет отличия (ля реакций п+Аи и р+Аи.

В Главе 7 сформулирована простая модель описания эффекта подавления ¡ыстрых партонов в образующейся плотной ядерной среде. Модель возникла [а основе объяснения наблюдаемого эффекта отсутствия поглощения ней-ральных пионов в плоскости реакции для полуцентральных Аи+Аи столк-говений. В качестве физической интерпретации модели выдвинута гипотеза ■ конечном времени формирования плотной среды до момента фактического :оглощения быстрых партонов.

В главе 6 отмечалось, что несмотря на хорошее согласие с эксперимен-ом в описании фактора подавления КАА, все модели используют те или :ные подгоночные параметры для получения согласия с экспериментом. Гроблема систематического описания экспериментальных данных в отме-енных моделях во многом связана с использованием пертубативной КХД. Иэразуемая на ЯШС в ядро-ядерных столкновениях среда является, скорее сего, сильно взаимодействующей и математический аппарат пертубативной 1ХД становится неправомерен. К сожалению, до сих пор отсутствует чет-ая теория, опирающаяся на основные базовые принципы КХД для описания ффекта подавления. Более того, при рассмотрении широкого круга экспе-иментальных данных (не только фактора подавления ЯАА) все без исюпоче-

ния модели перестают согласовываться с широким спектром экспериментальных данных при сохранении подгоночных параметров, полученных для описания Ядд. К таким экспериментальным результатам относятся наличие существенной азимутальной асимметрии в выходах заряженных адронов и нейтральных пионов с большими поперечными импульсами, а также поведение выхода я0 относительно плоскости реакции.

В последние несколько лет наблюдается развитие совершенно другого подхода для проведения вычислений в непертубативной КХД в сильно взаимодействующих средах. Этот подход основывается на голографическом принципе или дуальности между 5-мерным анти-де-Ситтеровским пространством с суперструнами и теорией конформных полей (Ас^/СРТ). В ряде работ в рамках этого подхода было показано, что в случае образования плотной сильно взаимодействующей среды, быстрые партоны будут иметь пробег 0,3-0,5 Фм. Есть аналогичные близкие оценки для тяжелых кварков. Отсюда следует, что центральная область взаимодействия релятивистских ионов будет непрозрачна для быстрых партонов.

В предложенной нами модели предполагается, что все партоны в центральной области взаимодействия поглощаются, выживают только партоны на периферии зоны взаимодействия. Толщина зоны или короны определяется временем формирования среды и равна 2,3 Фм/с в этой зоне. В этом подходе успешно объясняется ряд экспериментальных наблюдений. На рис. 15 приводятся экспериментальные данные 11АА и результаты расчета по модели для ядер Аи+Аи и Си+Си при 200 ГэВ. Расчеты для Си+Си были предсказательными. Введение конечного времени формирования среды до фактического процесса подавления струй является альтернативным взглядом на имеющиеся экспериментальные данные. До сих пор нет экспериментальных данных принципиально противоречащих выдвинутому предположению.

Рис. 15. Расчет Raa для Au+Au (пунктирная кривая) и Cu+Cu (сплошная линия) при Vsmn=200 ГэВ В в зависимости от числа нуклонов участников, Npart. Кружочками представлены экспериментальные данные для я0, открытыми квадратами - результаты данной работы для заряженных адронов с импульсом более 4 ГэВ/с. Треугольники представляют данные для в Cu+Cu при рт>7 ГэВ/с

В рамках модели дан ряд предсказаний для энергий LHC в CERN.

В Главе 8 сформулированы основные результаты и выводы.

1. Создана установка, позволяющая проводить измерения выходов заряженных частиц в событиях с большой множественностью в ядро-ядерных столкновениях на RHIC. Трековая система центрального спектрометра эксперимента PHENIX обеспечила надежное измерение импульсов заряженных адронов вплоть до 10 ГэВ/с. Разбивка событий по классам центральности столкновений явилась важным критерием для оценки числа провзаимодей-ствовавших нуклонов ядер.

2. Проведено исследование причин возникновения физических фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах. Фон имеет два источника в силу геометрии расположения детекторов и конфигурации магнитного поля в центральном спектрометре установки. Это распады короткоживущих адронов и конверсия фотонов на веществе перед детекторами. Было показано, что доминирующий вклад от распадов адронов вносят заряженные и нейтральные каоны.

3. Разработаны и применены на практике способы и методы подавления фонов. Для этого осуществлялась точная «сшивка» треков во всех трековых детекторах. Для импульсов выше 5 ГэВ/с был использован метод статистического вычитания фонов.

4. Введены необходимые поправки и учтены систематические ошибки измерения. Во всем интервале импульсов доминирующей систематической ошибкой является погрешность в оценке вычитаемого фона. Она составляет около 5% при импульсе менее 5 ГэВ/с, но увеличивается до 30% при 10 ГэВ/с.

5. Получены экспериментальные данные по инвариантным выходам заряженных адронов на одно столкновение для разных центральностей в реакциях Au+Au при энергии пучков в системе центра масс сталкивающихся нуклонов Vsnn=200 ГэВ и Vsnn=130 ГэВ и для комбинаций d+Au, р+р при VsNN=200 ГэВ. В реакции d+Au при использовании метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия удалось отдельно проанализировать столкновения типа р+Au и n+Au. Измерения для последней реакции с участием нейтрона являются единственными проведенными при такой высокой энергии.

6. На основании исследования формы спектров рожденных адронов был сделан вывод, что при импульсах рг>4-5 ГэВ/с форма спектра не зависит от центральности. Это указывает на преобладание жестких процессов в рождении частиц при больших рт.

7. Результаты измерений спектров заряженных адронов в р+р столкновениях хорошо описываются теоретическими расчетами в пертубативной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в понимании процессов рождения частиц с высокими импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях при энергии RHIC.

8. Был использован ядерный модификационный фактор Raa для численной оценки влияния среды на рождение энергичных адронов. Raa сопоставляет измеренный выход частиц в А+А столкновениях с ожидаемым выходом, опираясь на результаты в реакции р+р. При этом предполагается скейлинг числа жестких партонных взаимодействий по числу бинарных нуклон-нуклонных столкновений, Nbinary.

Оказалось, а это является основным выводом диссертации, что выход заряженных адронов с большими поперечными импульсами существенно по-

давлен в центральных Au+Au столкновениях. Подавление плавно усиливается с увеличением центральности, Raa достигает величины 0,2.

9. Обнаружено отличие в значениях RAA для заряженных частиц и для я0 в интервале импульсов 2<рт<4,5 ГэВ/с. Оно объясняется большой величиной отношения р/я наблюдаемого в центральных Ац+Аи столкновениях.

10. Экспериментальные результаты по подавлению выходов адронов с большими поперечными импульсами сравниваются с теоретическими моделями. Большинство моделей основано на предположении, что плотная цветная среда в фазе деконфайнмента будет вызывать потерю энергии движущимся партоном за счет излучения глюонов, что эффективно приводит к понижению выхода фрагментных адронов с большими рт (jet quenching, джет квенчинг). Несмотря на взаимные различия в теоретических подходах продемонстрировано согласие между экспериментом и моделями.

11. Проведены измерения выходов заряженных адронов в контрольном эксперименте в d+Au столкновениях. Отсутствие поглощения d+Au и N+Au столкновениях и сильное подавление в Au+Au взаимодействиях указывают на существенное отличие в последнем случае свойств образующегося вещества от обычной холодной ядерной материи.

12. Изучен эффект усиления выходов адронов (эффект Кронина) в нуклон-ядерных и дейтрон-ядерных столкновениях при энергии Vsmn=200 ГэВ . Оказалось, что эффект не исчезает с увеличением энергии пучка. Впервые исследовано поведение амплитуды эффекта от среднего числа последовательных нуклон-нуклонных соударений (v) , испытываемых нуклоном дейтерия. Получено, что амплитуда эффекта Кронина не увеличивается линейно с v, а быстро насыщается за одно-два дополнительные столкновения нуклона.

13. Впервые с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия измерены и сравнены реакции р+Au и n+Au. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при столь высокой энергии VsNN=200 ГэВ являются уникальными. Выходы заряженных адронов оказались одинаковы в пределах ошибок для налетающих протонов и нейтронов.

14. Основываясь на экспериментальных данных PHENIX по рождению нейтральных пионов относительно плоскости реакции была предложена альтернативная модель подавления быстрых партонов в ядро-ядерных столкновениях при энергии RHIC. Многие экспериментальные данные могут быть

объяснены в предположении полного подавления партонов в центральной зоне взаимодействия. Выживают только партоны, родившиеся на периферии в зоне или короне с малой плотностью. Выдвинута гипотеза о физической интерпретации толщины короны как времени формирования среды, когда начинается интенсивное подавление партонов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. V.S.Pantuev. First results from PHENIX experiment at RHIC. Proc. Of International Workshop "Relativistic Nuclear Physics: from Hundreds of MeV to TeV", Bulgaria, Varna, 10-16 September 2001, vol.1, pp. 239-252.

2. K.Adcox, V.Pantuev et al. Measurement of single electrons and implications for charm production in Au + Au collisions at s(NN)**(l/2) = 130-GeV. Phys. Rev. Lett. 88, p. 192303 (2002).

3. K.Adcox, V.Pantuev et al. Centrality dependence of the high p(T) charged hadron supperession in Au+Au collisions at sqrtfsJNN} =130 GeV. Phys. Lett. B56I, pp. 82-92 (2003).

4. S.S.Adler, V.Pantuev et al. High—pT charged hadron suppression in Au+Au collisions at sqrtfs JNN}=$200 GeV. Phys. Rev. C69, p. 034910 (2003).

5. S.S.Adler, V.Pantuev et al. Absence of suppression in particle production at large transverse momentun in sqrt{s _{NN} =200 GeVd+Au collisions. Phys. Rev. Lett. 91, p. 072303 (2003).

6. S.S.Adler, V.Pantuev et al. High-pT charged hadron suppression in Au+Au collisions at sqrt{s_{NN} =200 GeV. Phys. Rev. C69, p. 034910 (2003).

7. S.S.Adler, V.Pantuev et al. Measurement of Transverse Single-Spin Asymmetries for Mid-rapidity Production of Neutral Pions and Charged Hadrons in Polarizedp+p Collisions at sqrt(s) = 200 GeV. Phys. Rev. Lett. 95 (2005) p. 202001

8. V.S. Pantuev. Identified particle production at high transverse momentum in nucleus-nucleus collisions at RHIC. Proc. of The XXXXth Recontres de Mo-riond on QCD and high energy hadronic interactions, La Thuile, Italy, 12-19 March 2005, pp. 174-177 (2005). Препринт arXiv:nucl-ex/0505013.

9. V.S. Pantuev. Constraints induced by finite plasma formation time on some physical observables at RHIC. Препринт arXiv:hep-ph/0509207 (2005).

10. V.S. Pantuev. Evidence offinite sQGP formation time at RHIC. Proceedings of the 22nd Winter Workshop on Nuclear Dynamics, La Jolla, California, March 11-18, 2006. pp. 39-45 (2006). Препринт arXiv:hep-ph/0604268 (2006).

11. V.S. Pantuev. Prior to "QuarkMatter 2006"predictions within retardedjet absorption scenario at RHIC. Препринт arXiv:nucl-ex/0610002 (2006).

12. V.S. Pantuev. Jet absorption and corona effect at RHIC, Extracting collision geometry from experimental data. Письма в ЖЭТФ, т. 85, стр. 114-118 (2007). Препринт arXiv:hep-ph/0506095 (2005).

13. V.S. Pantuev. PHENIX measurements of reaction plane dependence ofhigh-p(T)photons andpions. Journ. Of Phys.: Nucl. Part. Phys. G34, pp S805-S808 f2007).httD://www.slac.stanford.edu/spires/find/hep/wwwauthors?kev=7502125

14. N.Armesto, V.S. Pantuev et al. Heavy Ion Collisions at the LHC - Last Call for Predictions. Joum. Of Phys.: Nucl. Part. Phys. G35, p. 054001 (2008). Препринт arXiv:0711.0974

15. V. S. Pantuev. Possible existence offinite formation time of strongly interacting plasma in nuclear collisions at RHIC and LHC. Ядерная Физика, т. 71, стр. 1656-1662 (2008).

Ф-т 60x84/8. Уч.-изд.л. 2,0 Зак. № 21953 Тираж 100 экз. Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Пантуев, Владислав Сергеевич

Глава 1. Введение.

Глава 2. Постановка проблемы.

Глава 3. Установка PHENIX.

Глава 4. Анализ экспериментальных данных.

Глава 5. Поправки и оценка систематических ошибок.

Введение диссертация по физике, на тему "Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в релятивистских ядро-ядерных столкновениях на установке PHENIX"

Построение квантовой хромодинамики (КХД) явилось поворотным пунктом в понимании природы сильного взаимодействия между элементарными частицами. Введение понятия кварков, нового квантового числа (цвета), существование хромодинамического поля (глюонные поля), формулировка принципиальных положений об асимптотической свободе на малых расстояниях и возникновения конфайнмента на больших расстояниях между кварками и глюонами получили полное научное признание и огромное число экспериментальных подтверждений. КХД стала фундаментальной теорией сильного взаимодействия. Вскоре на стыке нескольких областей физики - ядерной, физики, физики элементарных частиц, квантовой хромодинамики и в некоторой степени астрофизики- стало развиваться новое направление: исследование КХД вещества при экстремальной температуре и плотности. Это направление привлекает все большее внимание экспериментаторов и теоретиков последние 30 лет. Действительно, КХД расчеты, проводимые на решетке, указывают на возможность фазового перехода при большой плотности энергии и высокой температуре из обычной ядерной материи в фазу конституентных кварков и глюонов в большом объёме взаимодействующих посредством обмена цветными зарядами. Предсказуемый интервал температуры для такого перехода находится в диапезоне 160-180 МэВ, а плотность энергии должна превышать 1 ГэВ/Фм3. Существуют так же полуфеноменологические оценки условий существования такого фазового перехода. Имеются предположения, что состояние материи из кварков и глюонов могло существовать в начальной стадии Большого Взрыва при образовании нашей вселенной, когда вещество было горячим и плотным.

С середины 70-х годов 20-го столетия начинается интенсивное экспериментальное и теоретическое исследования возможности образования вещества из слабо связанных кварков и глюонов в лабораторных условиях. Основным инструментом экспериментальных исследований стали ускоренные пучки тяжелях ядер и их столкновения с ядерными мишенями.

Важным этапом в физике ядер при релятивистских энергиях был запуск в 2000 году ускорителя на встречных пучках, Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, в Брукхевенской Национальной Лаборатории США. Он был разработан и построен преимущественно под программу столкновения ядер с массой вплоть до золота и энергией 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов.

Одним из наиболее важных результатов с RHIC явилось обнаружение подавления струй адронов в веществе, образованном при столкновении ядер. Было показано, что такое поглощение отсутствует в обычной ядерной материи и не является эффектом начального состояния. Этот и другие наблюдаемые эффекты (наличие большой азимутальной ассиметрии рожденных частиц, наблюдение скейлинга эллиптического потока по числу конституентных кварков, сильное подавление при больших поперечных импульсах частиц с тяжелыми кварками и другие явлениия) по-прежнему бурно обсуждаются в свете скорого запуска Большого Адронного Коллайдера в CERN.

1.2. Цель и методы исследования

Основными задачами данной работы являются:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для исследования свойств вещества, образованного при столкновении релятивистских ядер с энергией л/sññ = 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов на ускорительном комплексе RHIC в БНЛ, США.

2. Исследование процессов рождения заряженных адронов с большими поперечными импульсами втлоть до 10 ГэВ/с в условиях образования ядерной среды с большой плотностью энергии и температуры для комбинаций сталкивающихся ядер Au + Au в зависимости от центральности. Определение свойств образующейся материи.

Ускорительный комплекс RHIC был создан в первую очередь для исследования столкновений релятивистских ядер с энергией s/^nn = 200 ГэВ. До начала работы Большого Адронного Коллайдера, LHC, в CERN, RHIC является уникальным инструментом для исследования ядро-ядерных соударений при максимально достижимой на настоящий момент энергии. Возможность ускорения пучков протонов и дейтронов позволяет с минимальными систематическими ошибками сопоставить экспериментальные результаты для соударений нуклон-нуклон и ядро-ядро.

Установка PHENIX является одной из четырех установок, созданных на встречных пучках RHIC. PHENIX состоит из центрального спектрометра и двух мюонных спектрометров. В данной работе используется центральный спектрометр, который был разработан и создан для исследования рождения частиц в центральной области быстрот. Его основными элементами являются: магнит с аксиально симметричным полем в направлении сталкивающихся пучков, трековая система заряженных частиц, электромагнитный калориметр на основе комбинации свинцовых пластин и сцинтилляторов, калориметр из свинцового стекла, газовый детектор излучения Вавилова-Черенкова, время-пролетной системы и комплекса детекторов для определения общих и глобальных параметров столкновения.

Уникальными особенностями данного спектрометра являются: а) надежная идентификация треков заряженных частиц в условиях большой множественности частиц в центральных столкновениях; б) отсутствие вещества в центральной части спектрометра для избежания многократного рассеяния и нежелательных вторичных взаимодействий; в) высокоточное определение центральности столкновения двух ядер по детекторам множественности, расположенных под большими быстротами; г) возможность проведения мечения взаимодействующего нуклона из ядра дейтрона при измерении комбинации d + Au; д) возможность комплексного исследования реакций посредством одновременного измерения разных типов частиц в идентичных экспериментальных условиях.

Созданная установка позволила устранить или корректно учесть все возможные фоны при изучении процессов рождения заряженных адронов при поперечных импульсах (рт) до 10 ГэВ/с . Посредством детекторов множественности и калориметров нейтронов спектаторов удалось разделить события по центральности взаимодействия и величине прицельного параметра столкновений ядер золота по золоту.

Проведены измерения в столкновениях р+р и йЛ-Аи при той же энергии в системе центра масс как и для Аи + Аи соударений. Данные по измерению столкновений малонуклонных систем явились отправной базой для сопоставления с результатами для комбинации Аи+Аи. Использование передних калориметров под нулевыми углами для реакции ¿+Аи обеспечили уникальную возможность сопоставления реакций нейтрон-ядро и протон-ядро при энергии = 200 ГэВ.

Экспериментальные данные по выходам заряженных адронов были сравнены с результатами измерений для нейтральных 7г—мезонов и прямых фотонов. Были получены дополнительные экспериментальные подтверждения наличия эффектов подавления выходов адронов с большими поперечными импульсами и справедливости бинарного скейлинга для жестких процессов.

1.3. Научная новизна работы

Работа автора по созданию и эксплуатации установки и проведение обработки экспериментальных данных позволила впервые обнаружить эффект подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в столкновениях Аи + Аи при релятивистских энергиях. В дополнение к другим данным по подавлению выходов нейтральных пионов и идентифицированных адронов в той же реакции данный эффект подавления является одним из самых значимых результатов, полученных на ГШ 1С. Этот результат служит прямым указанием на образование в ядро-ядерных соударениях вещества, существенно отличающегося от обычной ядерной материи. Зона взаимодействия двух релятивистких ядер служит сильным поглотителем быстрых партонов, приводя к фактору подавления порядка пятерки.

Выполнены новые измерения сечений рождениях заряженных адронов в зависимости от центральности Аи + Аи соударений и получена зависимость фактора подавления быстрых партонов от числа нуклонов участников. Решающим фактором, позволившим провести измерения спектров адронов с верхней границей по поперечному импульсу до 10 ГэВ/с , явилось изучение источников фонов, а так же разработка методов их подавления. На основании изучения формы спектров получено указание, что для всех центральностей при больших импульсах рождение адронов происходит посредством жестких партон-партонных столкновений.

Впервые выполнены измерения реакций р+р и й + Аи при энергии л/ё~мй =

200 ГэВ. Показано, что спектры энергичных заряженных адронов в р + р столкновениях хорошо описываются в рамках пертубативной КХД. Это служит надежным указанием на правильность используемых предположений при описании жестких процессов.

Отсутствие подавления выходов адронов в системе (1 + Аи, где образование плотной и горячей ядерной материи не ожидается, явилось поворотным моментом в интерпретации данных по Аи + Аи. Результаты, полученные для системы (I + Аи, подтвердили, что наблюдаемое подавление в столкновениях золото по золоту не является эффектом начального состояния взаимодействующих нуклонов ядер.

Впервые изучен эффект усиления выходов адронов (так называемый эффект Кронина) в нуклон-ядерных и дейтрон-ядерных столкновениях при энергии = 200 ГэВ.

Оказалось, что вопреки ожиданиям эффект не исчезает с увеличением энергии пучка. Впервые исследовано поведение амплитуды эффекта от среднего числа последовательных нуклон-нуклонных соударений (и), испытываемых нуклоном дейтерия. Было получено, что амплитуда эффекта Кронина не увеличивается линейно с г/, а быстро насыщается за одно-два дополнительные столкновения нуклона.

Впервые с использованием метода мечения протона спектатора из ядра дейтерия в (I + Аи столкновениях измерена реакция п + Аи с участием нейтрона при энергии 200 ГэВ. Отсутствие пучков нейтронов таких энергий делает эти измерения уникальными. Оказалось, что процессы рождения частиц в р + Аи и п + Аи в центральной области быстрот в пределах экспериментальных ошибок идентичны при высоких энергиях, различия в зарядах или изоспине не проявляются. Полученный результат был ожидаем, однако его экспериментальное измерение является важным фактом для подтверждения правильности описания соударений с участием ионов золота, в ядре которого число нейтронов в полтора раза больше числа протонов.

Сформулирован новый подход к описанию величины эффекта подавления быстрых партонов. Многие экспериментальные данные объяснены в предположении наличия конечного слоя ядерного вещества, который не поглощает быстрые партоны. Этот слой образует прозрачную корону в начальный момент взаимодействия. На периферии зоны соударений толщина слоя должна быть порядка 2-3 Фм. На уровне гипотезы предлагается физическая интерпретация этого слоя, как возможное проявление конечного времени формирования среды. Ближе к центру зоны взаимодействия это время, скорее всего, гораздо меньше, однако сейчас трудно дать его численную оценку. В предлагаемом подходе удается успешно описать зависимость подавления выходов адронов от числа нуклонов участников, от ориентации рожденной частицы относительно плоскости реакции. Наличие существенной азимутальной ассиметрии в рождении частиц с большими импульсами объясняется геометрией столкновения ядер. Даны численные оценки другим наблюдаемым эффектам.

1.4. Научная и практическая ценность работы

Обнаружение эффекта подавления адронов с большими поперечными импульсами в ядро-ядерных столкновениях и отсутствие такого подавления в р + р и d + Au соударениях указывают на возникновение ядерной среды со свойствами существенно отличающимися от свойств обычной ядерной материи. Результаты других измерений, где наблюдается наличие большого эллипического и радиального потока в спектрах частиц, подавление тяжелых кварков с очарованием и многие другие результаты указывают на наличие сильного взаимодействия между конституентами возникающей среды.

Результаты явились надежным критерием в оценке существующих теоретических моделей.

Важную практическую ценность полученные результаты представляют для проведения предварительных оценок в рождении адронов, интенсивности и загрузок детекторов для нового комплекса Большого Адронного Коллайдера (LHC) в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN).

1.5. Вклад автора диссертации

Автор внес решающий вклад в разработку и изготовление высоковольтной системы, системы охлаждения электроники и помехоустойчивому выводу сигналов для дрейфовых камер цетрального спектрометра PHENIX. Будучи на протяжении семи лет ответственным экспертом по эксплуатации дрейфовых камер во время проведения физических измерений, а так же членом Координационного Совета по Детекторам эксперимента PHENIX, автор внес существенный вклад в обеспечение успешной работы трековой системы установки.

Автор внес существенный вклад в разработку регистрирующей электроники.

Вклад автора является определяющим в исследовании и оценке влияния фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах в реакциях Аи+Аи, d+Au и р+р.

Формулировка гипотезы о возможном существенном влиянии конечного времени формирования ядерной среды в Au + Au столкновениях и описание экспериментальных данных в рамках предложенного подхода сделаны исключительно автором.

1.6. Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и создана аппаратная инфраструктура дрейфовых камер для центрального спектрометра установки: схема и метод вывода 12 тысяч сигналов из герметичного объема камер, высоковольтная система, системы охлаждения и магнитной защиты электроники. Центральный спектрометр установки PHENIX позволил проводить трекинг заряженных частиц и измерение импульса в условиях большой множественности, до 700 треков на одно плечо спектрометра в центральной области быстрот г) = ±0, 35. Технической особенностью спектрометра является надежная помехоустойчивая работа детекторов и электроники в условиях сильной компактности расположения составных частей.

2. Измерены выходы заряженных адронов с поперечным импульсом до 10 ГэВ/с в реакциях Au + Au, d + Au и р + р. Характерной особенностью измерений явилось успешное преодоление проблемы фонов при больших импульсах. Основными источниками фонов в условиях эксперимента оказались распады каонов и конверсия фотонов на веществе. Разработаны методы их оценки и способы вычитания.

3. Обнаружен эффект подавления заряженных адронов с большими поперечными импульсами в центральных Аи + Аи столкновениях при энергии y/sNN = 200 ГэВ и 130 ГэВ. Был введен ядерный модификационный фактор Raa на освании которого получен фактор подавления порядка пяти в самых центральных соударениях {Raa ~0,2). Этот результат наряду с измерениями идентифицированных частиц является одним из наиболее значимых подтверждений об образовании плотного ядерного вещества со свойствами отличными от свойств ядерной материи в обычных ядрах.

4. Измерены спектры заряженных адронов в р -f р столкновениях, которые показали, что спектры описываются теоретическими расчетами в пертубативной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в общем понимании процессов рождения частиц с большими поперечными импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях.

5. Дано сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами. На основании, этого получены оценки на плотность глюонов (dNg/drj = 1000) в центральной области быстрот и степень потери энергии быстрым партоном в образованной среде (до dEJdx та 14 ГэВ/Фм). Отмечено расхождение в теоретических подходах.

6. Измерены выходы заряженных адронов в d + Au столкновениях. На основании этих измерений было подтверждено, что эффект подавления в центральных Аи + Аи не является эффектом начального состояния, а связан со взаимодействием в образованной плотной среде.

7. Измерены реакции р + Аи и п + Аи с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при энергии (л/snn — 200 ГэВ) является уникальным.

8. Предложена гипотеза о конечном времени формирования среды. Сущетвенное подавление быстрых партонов происходит с запаздыванием, которое на периферии области взаимодействия ядер составляет порядка 2-3 Фм/с. В рамках модели описаны многие наблюдаемые параметры для описания рождения частиц с большими импульсами: поведение фактора Raa> параметр азимутальной ассиметрии v2, фактор подавление противоположной по азимуту струи Iaa

1.7. Апробация работы и публикации

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались автором на многих международрых и отечественных конференциях, совещаниях и семинарах: Международные конференции Quark Matter, Шанхай, 2006; 40-th Recontres de Moriond, QCD and high energy hadronic interactions, Италия 2005; The 22nd Winter Workshop on Nuclear Dynamics, La Joila, California, USA, 2006; Международное рабочее совещание по Релятивистской Ядерной Физике, Варна, 2001, Рабочее совещание Relativistic Nuclear Physics, Киев, 2007, Ежегодное совещание Отделения Физики РАН, ИТЭФ, 2007 и др. Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 15 работ, включая 10 статей в рецензируемых журналах.

1.8. Структура диссертации

Заключение диссертации по теме "Физика атомного ядра и элементарных частиц"

В заключение сформулируем основные результаты и выводы.

Создана установка, позволяющая проводить измерения выходов заряженных частиц в событиях с большой множественностью в ядро-ядерных столкновениях на RHIC. Центральный спектрометр установки PHENIX состоит из магнита с аксиально симметричным полем, трековой системы из дрейфовых камер с цилиндрической геометрией, газовых детекторов излучения Черенкова/Вавилова для идентификации электронов, время-пролетной системы, электромагнитных калориметров и набора детекторов для оцентки центральности и измерения глобальных: характеристик ядро-ядерных соударений. Трековая система центрального спектрометра эксперимента PHENIX обеспечила надежное измерение импульсов заряженных адронов вплоть до 10 ГэВ/с . Разбивка событий по классам центральности столкновений явилась важным критерием для оценки числа провзаимодействовавших нуклонов ядер.

Проведено исследование причин возникновения физических фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах. Фон имеет два источника в силу геометрии расположения детекторов и конфигурации магнитного поля в центральном спектометре установки. Это распады короткоживущих адронов и конверсия фотонов на веществе перед детекторами. Механизм возникновения фона следующий: определение импульса частицы на установке производится по степени отклонения трека от радиального направления. С достаточно хорошей точностью импульс частицы может быть оценен как р = const/а, где о: есть угол отклонения трека от радиального направления. Продукты распада короткоживущих адронов с небольшими импульсами могут существенно отклониться от первоначального направления родительской частицы и будут восстановлены с неправильным импульсом. Поскольку спектр рожденных частиц быстро падает с увеличением импульса, распадные частицы в наибольшей степени искажают спектр в области больших импульсов. Было показано сначала аналитически, а затем и посредством полного Монте Карло моделирования установки, что доминирующий вклад от распадов адронов вносят заряженные и нейтральные каоны, несмотря на их малый (в 5-10 раз, чем для пионов) выход. Это обусловлено большим передаваемым импульсом р,—мезону при распаде каона.

Электроны от конверсии гамма квантов летят преимущественно в направлении первичного фотона. Если в зоне конверсии магнитное поле мало, то электроны и позитроны конверсии полетят по направлению близкому к направлению по радиусу. Тем самым они имитируют треки с большим импульсом.

Были разработаны и применены на практике способы и методы подавления фонов. В первую очередь осуществлялась точная «сшивка» треков во всех трековых детекторах. Это позволяло устранить фоны при малых и средних импульсах. Для импульсов выше 5 ГэВ/с был использован метод статистического вычитания фонов.

Отдельное внимание было уделено введению необходимых поправок и учету систематических ошибок измерения. Во всем интервале импульсов доминирующей систематической ошибкой является погрешность в оценке вычитаемого фона. Она составляет около 5% при импульсе менее 5 ГэВ/с , но увеличивается до 30% при 10 ГэВ/с .

В результате были получены надежные экспериментальные данные по инвариантным выходам заряженных адронов на одно столкновение для разных центральностей в реакциях Аи + Аи при энергии пучков в системе центра масс сталкивающихся нуклонов ^/¿Гдгдг = 200 ГэВ и 130 ГэВ и для комбинаций d + Аи, р + р при ^/sNN — 200 ГэВ. В реакции d + Аи при использовании метода мечения нуклона спектатора из ядря дейтерия удалось отдельно проанализировать столкновения типа р + Аи и п + Аи. Измерения для последней реакции с участием нейтрона являются единственными проведенными при такой высокой энергии.

На основинии исследования формы спектров рожденных адронов был сделан вывод, что при импульсах рт >4-5 ГэВ/с форма спектра не зависит от центральности. Это указывает на преобладание жестких процессов в рождении частиц. В тоже время в мягкой части спектра (р-г < 2 ГэВ/с) наблюдается увеличение среднего импульса с ростом числа нуклонов участников. Это отражает влияние радиального потока в более центральных столкновениях.

Все тенденции в экспериментальных данных при a/s/vtv = 200 ГэВ наблюдаются при меньшей энергии пучков y/s^x — 130 ГэВ.

Результаты измерений в р+р столкновениях показали, что спектры заряженных адронов хорошо описываются теоретическими расчетами в пертубативной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в понимании процессов рождения частиц с высокими импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях при энергии RHIC.

Для численного определения эффектов среды на рождение энергичных адронов был использован ядерный модификационный фактор Raa- Raa является оценкой выхода измеренных частиц в А + А столкновениях по сравнению с ожидаемым выходом, опираясь на результаты в р + р столкновениях в предположении скейлинга по числу бинарных нуклон-нуклонных столкновений, (Nbinary)• Если образуемая среда не влияет на выход быстрых партонов (а с ними и адронов-фрагментов), то Raa должен равняться единице.

В периферийных соударениях величина Raa действительно близка к единице. Окесзалось а это является основным выводом диссертации, что выход заряженных адронов с большими поперечными импульсами существенно подавлен в центральных Au + Au столкновениях Подавление плавно усиливается с увеличением центральности, Raa достигает величины 0 2 Это означает, что в ядро-ядерных столкновениях адроны подавлены в пять раз по сгравнению с ожидаемым выходом, если бы рождение происходило в обычной холодной ядерной Ср6де При энергии пучков л/snn — 130 ГэВ подавление несколько меньше.

Для подтверждения правильности и надежности результата данные по подавлению заряженных адронов сравниваются с аналогичными данными для нейтральных тг—-мезонов Измерения 7Г° выполнены так же на установке PHENIX, что позволяет сократить многие систематические ошибки. Приимпульсах р? >4-5 ГэВ/с подавлепие для заряженнЕгх частиц и для 7Г° примерно одинаково. Это вполне правомерно, - поскольку: те и другие- частицы являются продуктами фрагментации быстрых партонов. Если партоны подавляются эффект должен быть одинаков. Эксперимент подтверждает, что подавление происходит на партонном уровне.

Обнаружено отличие в значениях Raa для заряженных частиц и для 7г° в Интервале импульсов 2< рт < 4,5 ГэВ/с . Оно объясняется большой величиной отнощения наблюдаемого в центральных Au -f Au столкновениях. Окончательного полного объяснения увеличения выходов барионов в этом интервале импульсов пока нет.

Проведено исследование отношения h/тг° для всех классов центральности. Если доминирующим механизмом рождения заряженных адронов является образование быстрого партона с последующей фрагментацией, то состав рожденных частиц должен определяться функцией фрагментации струй. При рт > 4,5 ГэВ/с отношение h/7Г° является постоянной величиной равной 1,6 в согласии с данными в р + р и е+е~, где рождение и фрагментация струй промерены с хорошей достоверностью. Это подтверждает вывод, что рождение высокоимпульсных адронов происходит в результате фрагментации партонов.

Справедливость скейлинга по числу независимых бинарных столкновений для реакций с участием партонов было проиллюстрировано результатами PHENIX по измерению выхода прямых фотонов. Рождение прямых фотонов является жестким процессом и происходит в начальной стадии взаимодействия ядер на партонном уровне. Сечение этих процессов мало и должно следовать бинарному скейлингу. В силу очень слабого взаимодействия фотонов с возникшей ядерной средой рождение прямых фотонов являются надежной Проверкой бинарного скейлинга. Действительно, фактор Raa Для прямых фотонов не зависит от центральности и в пределах ошибок равен единице.

Эксперементальные результаты по подавлению выходов адронов с большими поперечными импульсами сравниваются с теоретическими моделями. Большинство моделей основыно на предположении, что плотная цветная среда, в фазе деконфаймента будет вызывать потерю энергии движущимся: партоном за счет излучение глюонов, что эффективно приводит к понижению выхода фрагментных адронов с большими рт (jet quenching, джет квенчинг). Имеется большое разнообразие моделей в рамках указанного подхода. Каждая из моделей оперирует разными подгоночными параметрами. С помощью подгонки этих величин, модели хорошо описывают поведение фактора Ялл от импульса и центральности. К таким параметрам относятся: первоначальная плотность глюонов в зоне взаимодействия на уровне dNg —■ 1000 на единицу быстроты, партонный транспортный коэффициент q & 3,5 ГэВ/фм, коэффициент непрозрачности L/X ~ 3 — 4 и другие критические параметры.

Отдельно следует рассматривать модель A. Capella, А.Б. Кайдалова и др. Они оценивают плотность образованной среды, как совокупность адронов, преимущественно пионов. Для объяснения сильного подавления выхода адронов с большими поперечными импульсами по сравнению с обычным холодным ядерным веществом авторы модели вводят аномально сильное сечение взаимодействия на пре-адронном уровне, то есть до формирования адрона как частицы. После подгонки величины аномального сечения взаимодействия для пионов результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Существовало так же другое объяснение подавления быстрых адронов за счет эффекта в начальном состоянии, когда возможно эффективное насыщение глюонов при малых значениях Бьеркеновской х. Как показали экспериментальные данные для соударений d + Аи, насыщение глюонов не наблюдается при энергии RHIC.

Проведены измерения выходов заряженных адронов в d + Аи столкновениях. Эта реакция является, по существу, контрольным экспериментом. В Аи + Аи столкновениях обнаружено существенное подавление выхода заряженных адронов и нейтральных пионов в центральных столкновениях. В принципе наблюдаемый эффект может являться следствием насыщения рапределения глюонов в начальном состоянии. Убедиться, что это не так, удалось экспериментальным путем. В реакции d + Аи не ожидается образования плотного ядерного вещества, однако условия для возникновения возможного эффекта насыщения глюонов в ядре золота остаются.

Для событий d + Аи столкновений были выделены четыре класса по центральности.

Дополнительно, посредством мечения (регистрации) нуклона спектатора, <1 + Аи события были разбиты на случаи только р + Аи или п + Аи столкновений. Оказалось, что ядерный модификационный фактор для столкновений дейтерий-золото ((I Ч- Аи) и нуклон-золото (./V + Аи) не опускается ниже единицы. Наблюдается небольшое увеличение Яали и Яили в интервале импульсов 1,5 ГэВ/с и 5 ГэВ/с с максимальной амплитудой около 1,3-1,4, что может быть связано с эффектом Кронина (увеличение выходов частиц в р-\- А столкновениях по сравнению с реакцией р+р быстрее, чем масса ядра мишени), наблюдаемом и при низких энергиях пучка.

На основании измерений (I + Аи столкновений сделан вывод, что эффект подавления в центральных Аи + Аи не является эффектом начального состояния, а связан со взаимодействием в образованной плотной среде. Отсутствие, поглощения с1 + Аи и N + Аи столкновениях и сильное подавление в Аи+Аи взаимодействиях.указывают на существенное отличие в последнем случае свойств образующегося вещества от обычной холодной ядерной материи.

Впервые с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия были измерены и сопоставлены для сравнение реакции р + Аи и п + Аи. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при столь высокой энергии = 200 ГэВ) являются уникальными.

Выходы заряженных адропов оказались одинаковы в пределах ошибок для налетающих протонов и нейтронов.

Для определения возможного механизма описания эффекта Кронина результаты для Ядли и Якли были проанализированы в зависимости от среднего числа последовательных столкновений на нуклон участник (и) из ядра дейтерия. Оказалось, что увеличение выхода за счет эффекта Кронина слабо зависит от и. Это означает, что достаточно 1 или 2 дополнительных жестких столкновений для получения наблюдаемого эффекта. Сценарий возникновения эффекта за счет многих последовательных столкновений с малой передачей импульса исключается.

В независимом анализе РНЕШХ по измерению выходов идентифицированных адронов (протонов, пионов и каонов) в (I + Аи столкновениях спектр протонов промерен до 4 ГэВ/с , а заряженных каонов - до 2,4 ГэВ/с . Для того, чтобы определить их вклад в спектр адронов при более высоких импульсах, мы оценили отношение выходов заряженных адронов, как это сделано в настоящем анализе, к анализу спектров для тг° в тех же экспериментальных условиях. Оказалось, что отношение (к+ Л-к~)/2ттй остается постоянным для импульсов выше 2 ГэВ/с . В самых периферийных столкновениях это отношение равно

1,58 и согласуется с результатами измерений при более низких энергиях в CERN IFtS. С увеличением центральности отношение растет до 1,78. Отсюда сделан вывод, что в d -f. au столкновениях так же возникает слабое увеличение выходов протонов и каонов относительно пионов, но в меньшей, степени, как это наблюдается в. центральных Au + Au соударениях.

Основываясь на экспериментальных данных PHENIX по рождению нейтральных пионов относительно плоскости реакции была предложена альтернативная модель подавления быстрых партонов в ядро-ядерных столкновениях при энергии RHIC. Модель описывает геометрию взаимодействия ядер в приближении рассеяния по Глауберу с реалистичным распределением ядерной плотности по Вудс-Саксону. Оказалось, что Многие экспериментальные данные могут быть объяснены в предположении полного подавления партонов в центральной зоне (кор) взаимодействия: Выживают только партоны, родившиеся на периферии^ в зоне малой плотности или короне.- Правильное описание экспериментальных данных требует задания толщины короны в виде простого геометрического параметра L. Выдвинута гипотеза о физической интерпретации толщины короны как времени формирования среды, когда начинается интенсивное подавление партонов. Модель не предлагает конкретного механизма подавления партонов или причин его запаздывания на периферии зоны взаимодействия на время 2-3 Фм/с. Однако хорошее согласие и отсутствие расхождений со многими экспериментальными данными являются указанием на правильность выдвинутого предположения. С увеличением плотности среды к центру области взаимодействия время формирования может уменьшаться до 0,5-0,8 Фм/с, однако точное определение этой величины затруднительно.

В рамках гипотезы о конечном времени формирования среды удается описать отсутствие поглощения нейтральных пионов в плоскости реакции в Au + Au соударениях при центральности 50-60%. Модель объясняет причину возникновения существенной азимутальной ассиметрии в рождении адронов с большими рт, описывает поведение фактора Raa в зависимости от центральности для Au + Au и Си + Си. В последнем случае предсказание было сделано до появления экспериментальных результатов. Полное подавление быстрых партонов в центральном коре естественным образом объясняет отсутствие зависимости Raa от импульса при больших рт- Рождение всех адронов с большими поперечными импульсами за счет фрагментации партонов из области короны объясняет равенство фактора подавления для мезонов и барионов. Модель хорошо описывает зависимость двухструйных событий от центральности. Наличие кора с сильным подавлением не только легких партонов, а и тяжелых очарованных кварков может служить объяснением наблюдаемого подавления и азимутальной ассиметрии при рождении с—кварком.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Пантуев, Владислав Сергеевич, Москва

1. М. Gell-Mann, A schematic model of baryons and mesons, Phys. Lett. 8, 214215 (1964).

2. Н. Н. Боголюбов и др. Релятивистски-инвариантные уравнения для составных частиц и формфакторы, Препринт ОИЯИ Р-2141, 11 стр., ОИЯИ (1965).

3. М. Y. Han and Y. Nambu, Three-triplet model with, double SU(3) symmetry, Phys. Rev. В 139, 1006-1010 (1965).

4. Y. Miyamoto, Progr. Theor. Suppl. Extra., Three kinds of triplet model, 187, 187-192 (1965).

5. J. D. Bjorken, Asymptotis sum rules at infinit momentum, Phys. Rev. 179, 1547-1553 (1968).

6. Gross, D. J. and F. Wilczek, Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories, Phys. Rev. Lett. 30, 1343-1346 (1973).

7. H. D. Politzer, Reliable Pertubative Results for Strong Interaction, Phys. Rev. Lett. 30, 1346-1349 (1973).

8. V. A. Matveev, R. Muradyan and A. Tavkhelidze, Automodelism in the large-angle elastic scattering and structure of hadrons, Lett. Nuovo Cim., 7, 719-723 (1973).

9. N. Ishii, S. Aoki and T. Hatsuda, The nuclear force from lattice QCD, Phys. Rev. Lett. 99, 022001 (2007) arXiv:nucl-th/0611096.

10. J. C. Collins and M. J. Perry, Superdense Matter: Neutrons or Asymptotically Free Quarks? Phys. Rev. Lett. 34, 1353-1356 (1975).

11. E. V. Shuryak, Quantum Chromodynamics and the Theory of Superdense Matter, Phys. Rept. 61, 71-158 (1980).

12. M. G. Alford, K. Rajagopal and F. Wilczek, QCD at Finite Baryon Density: Nucleon Droplets and Color Superconductivity, Phys. Lett. В 422, 247-256 (1998).

13. P. Kovtun, D. T. Son and A. o. Starinets, Viscosity in strongly interacting quantum field theories from black hole physics, Phys. Rev. Lett. 94, 111601 (2005).

14. H. Liu, K. Rajagopal and U. A. Wiedemann, Calculating the jet quenching parameter, Phys. Rev.1.tt. 97, 182301 (2006).

15. А. А. Балдин и др., Выход антипротонов в столкновении ядер углерода с ядрами меди при энергии 3,65 ГзВ/нуклон, Письма в ЖЭТФ 48 (1988) 127-130.

16. К. Adcox et al., Formation of dense partoniv matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC: experimental evaluation by the PHENIX collaboration, Nucl. Phys. A 757 184-283 (2005).

17. J. D. Bjorken, Highly Relativistic nucleus-nucleus collisions: the central rapidity region, Phys. Rev. D 27, 140-151 (1983).

18. J. F. Owens, Large-momentum-transfer production of direct photons, jets and particles, Rev. Mod. Phys. 59, 465-503 (1987).

19. B. Jager et al., Next-to-leading order QCD corrections to high-pTpion production in longitudinally polarized pp collisions, Phys. Rev. D 67, 054005 (2003).

20. M. Gyulassy and M. Plumer, Jet Quenching In Dense Matter, Phys. Lett. В 243, 432-438 (1990).

21. X. N. Wang and M. Gyulassy, Gluon shadowing and jet quenching in A + A collisions at s1!2 —200 GeV, Phys. Rev. Lett. 68, 1480-1483 (1992).

22. K. Adcox et al. PHENIX Collaboration., Measurement of single electrons and implications for charm production in Au + Au collisions at s(NN)**(l/2) = 130-GeV, Phys. Rev. Lett. 88, 1923032002) arXiv:nucl-ex/0202002.,

23. S. H. Aronson et al, PHENIX magnet system, Nucl. Instr. Meth. A 499, 480-488 (2003).

24. K. Adcox et al., PHENIX central arm tracking, Nucl. Instr. Meth. A 499, 489-507 (2003).

25. F. M. Newcomer et al, A fast, low power, amplifier-shaper-discriminator for high rate straw tracking systems, IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-40, 630-633 (1993).

26. Y. Arai et al, Time memory cell VLSI for the PHENIX drift chamber, IEEE Trans. Nucl. Sei. NS45, 735-741 (1998).

27. M. Aizawa et al, PHENIX central arm particle ID detectors, Nucl. Instr. Meth. A 499, 508-5202003).

28. M. Allen et al, PHENIX inner detectors, Nucl. Instr. Meth. A 499, 549-559 (2003).

29. C. Adler et al, The RHIC zero-degree calorimeters, Nucl. Instr. Meth. A 499, 433-436 (2003).

30. Yung-Su Tsai, Pair production and bremsstrahlung of charged leptons, Rev. Mod. Phys. 46, 815-851 (1974).

31. S. S. Adler et al, Midrapidity neutral-pion production in proton-proton collisions at л/s —200 GeV, Phys. Rev. Lett. 91, 241803 (2003).

32. X. N. Wang and M. Gyulassy, HIJING: a Monte Carlo model for multiple jet production in pp, pAand AA collisions, Phys. Rev. D 44, 3501-3516 (1991).

33. R. J. Glauber and G. Matthiae, High-energy scattering of protons by nuclei, Nucl. Phys. B 21, 135-149 (1970).

34. S. White, Diffraction dissociation- 50 years later, AIP Conf. Proc. 792, 527 (2005).

35. S. S. Adler et al., Absence of suppression in particle production at large transverse momentun in

36. GeV d+Au collisions, Phys. Rev. Lett. 91, 072303 (2003).

37. L. Hulthen and M.Sagawara, Handbuch der Physik 39 (Springer-Verlag, Berlin, 1957).

38. GEANT 3.2.1, CERN program library.

39. S. S. Adler et al., PHENIX on-line and off-line computing, Nucl. Instr. Meth. A 499, 593-602 (2003).

40. S. S. Adler et al., Identified charged particle spectra and yields in Au+Au collisions at ^/snn =200 GeV, Phys. Rev. C 69, 034909 (2004).

41. S. S. Adler et al., Nuclear effects on hadron production in d+Au collisions at x/sïvïv =200 GeV revealed by comparison with p+p data, Phys. Rev. C 74, 024904 (2006).

42. J. Adams et al., Identified hadron spectra at large transverse momentum in p+p and d+Au collisions at,/sïïïï=200 GeV, Phys. Lett. B 637, 161-164 (2006).

43. V. Riabov for PHENIX Collaboration., First measurement of the u>~menos production at RHIC by PHENIX, Nucl. Phys. A 774, 735-738 (2006).

44. S. S. Adler et al., Identified charged particle spectra and yields in Au+Au collisions at v/5jVjv =200 GeV, Phys. Rev. C 69, 034909 (2004).

45. S. S. Adler et al., Supperessed production at large transverse momentum in central Au+Au collisions y/sàïï =200 GeV, Phys. Rev. Lett 91, 072301 (2003).

46. S. S. Adler et al., High-pT charged hadron suppression in Au+Au collisions at ^s^n =200 GeV, Phys. Rev. C 69, 034910 (2003).

47. S. S. Adler et al., Centrality dependence of charged hadron production in deuteron-gold and nucleon-gold collisions at =200 GeV, Phys. Rev. C 77, 014910 (2003).

48. S. S. Adler et al., High-pT charged hadron suppression in Au+Au collisions at ^snn =200 GeV, Phys. Rev. C 69, 014905 (2008).

49. K. Adcox et al., Centrality dependence of 7r+' p and p production from yjs^fi =130 GeV Au+Au collisions atRHIC, Phys. Rev. Lett 88, 242301 (2002).

50. S. S. Adler et al., Scaling properties of proton and antiproton production in =200 GeV Au+Au collisions, Phys. Rev. Lett 91, 172301 (2003).

51. R.C. Hwa and C.B. Yang, Scaling behavior at high pT and p/n ratio, Phys. Rev. C 67, 034902 (2003).

52. I. Vitev and M. Gyulassy, Jet quenching and the p > tt~ anomaly in heavy ion collisions at rela-tivistic energies, Phys. Rev. C 65, 041902(R) (2002).

53. B. Alper et al., Production ofir+'~ ', p+> at large angles in proton proton collisions in the CERN intersecting storage rings, Nucl. Phys. B 100, 237-311 (1975).

54. P. Abreu et al., Identified charged particles in quark and gluon jets, Eur. Phys. J. C 17, 207-222 (2000).

55. D. Kharzeev, E. Levin and L. McLerran, Parton saturation and N(part) scaling of semihard processes in QCD, Phys. Lett. B 561, 93-101 (2003).

56. K. Adcox et al., Centrality dependence of the high p(T) charged hadron suppression in Au+Au collisions at y/sNN —130 GeV, Phys. Lett. B 561, 82-92 (2003).

57. S. S. Adler et al., Centrality dependence of direct photon production in y^s/vjv =200 GeV Au+Au collisions, Phys. Rev. Lett. 94, 232301 (2005).

58. I. Vitev and M. Gyulassy, High p(T) tomography of d+Au and Au+Au at SPS, RHIC and LHC, Phys. Rev. Lett. 89, 252301 (2002).

59. F. Arleo, Tomography of cold and hot QCD matter: Tools and diagnosis, J. High Energy Phys. 0211, 044-066 (2002).

60. G. G. Barnafoldi et al., High-pT pion production in heavy-ion collisions at RHIC energies, eprint arXiv:nucl-th/0212111 (2002).

61. X. N. Wang, High p(T) hadron spectra, azimuthal anisotropy and back to back correlations in high-energy heavy ion collisions, Phys. Lett. B 595, 165-170 (2004).

62. R. Baier, Y. L. Dokshitzer, A. H. Mueller and D.Schiff, Quenching of hadron spectra in media, J. High Energy Phys. 0109, 033-052 (2001).

63. C. A. Salgado and U. A. Wiedemann, Calculating quenching weight, Phys. Rev. D 68, 014008 (2003).

64. M. Gyulassy, P. Levai and I. Vitev, Reaction operator approach to nonAbelian energy loss, Nucl. Phys. B 594, 371-419 (2001).

65. M. Gyulassy, P. Levai and I. Vitev, Non-Abelian energy loss at finite opacity, Phys. Rev. Lett. 85, 5535-5538 (2000).

66. X. N. Wang and X. F. Guo, Multiple parton scattering in nuclei: parton energy loss, Nucl. Phys. A 696, 788-832 (2001).

67. X. F. Guo and X. N. Wang, Multiple scattering, parton energy loss, and modified fragmentationfunction in deeply inelastic eA scattering, Phys. Rev. Lett. 85, 3591-3594 (2000).

68. X. N. Wang and E. Wang, Jet tomography of hot and cold nuclear matter, Phys. Rev. Lett. 89, 162301 (2002).

69. X. N. Wang, Probe initial parton density and formation time via jet quenching, Nucl. Phys. A 715, 775-778 (2003).

70. X. N. Wang, Why the observed jet quenching at RHIC is due to parton energy loss, Phys. Lett. B 579, 299-308 (2004).

71. X. N. Wang and E. Wang, Parton energy loss with detailed balance, Phys. Rev. Lett. 87, 142301 (2001).

72. B. Muller, Phenomenology of jet quenching in heavy ion collisions, Phys. Rev. C 67, 061901 (2003).

73. A. Drees, H. Feng and J. Jia, Medium induced jet absorption in relativistic heavy-ion collisions, Phys. Rev. C 71, 034909 (2005).

74. A. Capella et al., Anomalous. suppression of piO production at large transverese momentum in Au+Au and d+Au collisions at y/s^N =200 GeV, Eur. Phys. J. C 40, 129-135 (2005).

75. D. Kharzeev and M. Nardi, Hadron production in nuclear collisions at RHIC and high density QCD, Phys. Lett. B 507, 121-128 (2001).

76. D. Kharzeev, Important experimental obsevables, Nucl. Phys. A 715, 35-44 (2003).

77. J. W. Cronin et al., Production of hadrons with large transverse momentum at 200-GeV300-GeV and 400-GeV, Phys. Rev. D 11, 3105-3123 (1975).

78. P. B. Straub et al., Nuclear dependence of high-x hadron and high-T hadron pair production in p+Au interactions at yS^îv =38.8 GeV, Phys. Rev. Lett. 68, 452-455 (1992).

79. Y. Zhang et al., High-pr pion and kaon production in relativistic nuclear collisions, Phys. Rev. C 65, 034903 (2002).

80. X. N. Wang, Systematic study of high pt hadron spectra in pp, pA and AA collisions at ultrarela-tivistic energies, Phys. Rev. C 61, 064910 (2000).

81. B. Z. Kopeliovich et al., Cronin effect in hadron production off nuclei, Phys. Rev. Lett. 88, 232303 (2002).

82. A. Accardi and D. Treleani, Minijet transverse spectum in high-energy hadron-nucleus collisions, Phys. Rev. D 64, 116004 (2001).

83. S. S. Adler et al., Centrality dependence of 7r° and tj production at large transverse momentum in y/J^=200 GeVd+Au, Phys. Rev. Lett. 98, 172302 (2007).

84. B. Alper et al., production spectra of 7r±r Kpm, p^ at large angles in proton proton collisions inthe CERN intersecting storage rings, Nucl. Phys. B 100, 237-315 (1975).

85. M. Kaneta (for PHENIX Collaboration), Event anisotropy of identified it0, photon and electron compared to charged it, K, p and deuteron in ^/snn =200 GeV Au+Au at PHENIX, J. Phys. G 30, S1217-S1220 (2004).

86. D. Winter (for PHENIX Collaboration), PHENIX measurement of particle yields at high pT with respect to reaction palne in Au+Au collisions at V^jviv =200 GeV, Nucl. Phys. A 774, 545 (2006).

87. S. S. Adler et al., Detailed study of high pT pion suppression and azimuthak anisotropy in Au+Au collisions aty/sWN=200 GeV, Phys. Rev. C 76, 034904 (2007).

88. E. V. Shuryak and I. Zahed, Rethinking the properties of the quark-gluon plasma at Tc < T < Tc, Phys. Rev. C 70, 021901 (2004).

89. S- S- Adler et al.,-Dense-medium.modifications to jet-induced, hadron pair distribution-in Au+Au collisions at i/sifi? =200 GeV, Phys. Rev. Lett. 97, 052301(2006).

90. I. M. Dremin, Ring-like events rCerenkov gluons or Mach waves?, Nucl. Phys. A 767, 233-2472005).

91. A. Adare et al., Energy loss and flow of heavy quarks in Au+Au collisions at -y/s^N =200 GeV, Phys. Rev. Lett. 98, 172301 (2007).

92. J. M. Maldacena, The large N limit of superconformal field theories and supergravity, Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231-252 (1998).

93. C. P. Herzog et al., Energy loss of a heavy quark moving through N=4 super symmetric Yang-Mills plasma, Phys. Rev. Lett. 98, 172301 (2007).

94. S. J. Sin and I. Zahed, Ampere's law and energy loss in AdS/CFT duality, Phys. Lett. B 648, 318-322 (2007) arXiv:hep-ph/0606049.

95. E. V. Shuryak and I. Zahed, Ionization of binary bound states in a strongly coupled quark-gluon Plasma, eprint arXiv:hep-ph/0406100.

96. D. E. Kharzeev, Universal upper bound on the energy pf a parton excaping from the strongly coupled quark-gluon matter, eprint arXiv:0806.0358 (2008).

97. V. S. Pantuev, PHENIX measurements of reaction plane dependence of high-pr photons and pions, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34, S805-S808 (2007).

98. D. G. d'Enterria, Jet quenching: RHIC results and phenomenology, AIP Conf. Proc. 806, 252-2582006) arXiv:nucl-ex/0510062.

99. A. Dainese, C. Loizides and G. Paic, Leading-particle suppression in high energy nucleus-nucleus collisions, Eur. Phys. J. C 38, 461-474 (2005).

100. V. S. Pantuev, Jet absorption and corona effect at RHIC. Extracting collision geometry from experimental data, Письма в ЖЭТФ 85, 114-118 (2007), arXiv:hep-ph/0506095.,

101. P. F. Kolb, J. Sollfrank and U. W. Heinz, Anisotropic transverse flow and the quark-hadron phase transition, Phys. Rev. С 62, 054909 (2000) arXiv:hep-ph/0006129.

102. J. Adams et al. STAR Collaboration., Azimuthal anisotropy in Au + Au collisions at s(NN)**(l/2) = 200-GeV, Phys. Rev. С 72, 014904 (2005) [arXiv:nucI-ex/0409033].

103. E. V. Shuryak, The azimuthal asymmetry at large p(t) seems to be too large for a 'jet quenching', Phys. Rev. С 66 , 027902 (2002) arXiv:nucl-th/0112042.

104. M. Shimomura PHENIX Collaboration., High-p(T) piO, eta, identified and inclusive charged hadron spectra from PHENIX,Nucl. Phys. A 774, 457-460 (2006) [arXiv:nucl-ex/0510023].

105. J. Liao and E. V. Shuryak, Polymer chains and baryons in a strongly coupled quark-gluon plasma, Nucl. Phys. A 775, 224-234 (2006) arXiv:hep-ph/0508035.

106. V. S. Pantuev, Constraints induced by finite plasma formation time on some physical observables at RHIC, arXiv:hep-ph/0509207 (2005).

107. V. S. Pantuev, Evidence of finite sQGP formation time at RHIC, arXiv:hep-ph/0604268 (2006).

108. N. Armesto et al, Heavy Ion Collisions at the LHC Last Call for Predictions, J. Phys. G 35, 054001 (2008) arXiv:0711.0974 [hep-ph.].

109. V. S. Pantuev, Possible Existence of finite formation time of strongly interacting plasma in nuclear collisions at RHIC and LHC, Ядерная Физика, 71, 1656-1662 (2008).

110. J. Adams et al. STAR Collaboration., Azimuthal anisotropy and correlations at large transverse momenta in p + p and Au + Au collisions at sj^ = 200GeV, Phys. Rev. Lett. 93, 252301 (2004) [arXiv:nucl-ex/0407007].

111. S. A. Butsyk (for PHENIX Collaboration), PHENIX results on open heavy flavor production and flow in Au+Au collisions at т/^Ш =200 GeV, Nucl. Phys. A 774, 669-672 (2006).