Оптимизация параметров дрейфовых камер центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС и исследование AU + AU взаимодействий при энергии √SNN = 130 ГэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЭКСПЕРИМЕНТ ФЕНИКС НА РЕЛЯТИВИСТСКОМ КОЛЛАЙДЕРЕ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ. ТРЕБОВАНИЯ К

ДРЕЙФОВОЙ КАМЕРЕ.

1. Ускорительный комплекс коллайдера RHIC.

2. Экспериментальная установка ФЕНИКС.

3. Основные задачи физической программы ФЕНИКС.

4. Условия работы и требования к ДК ФЕНИКС.

ГЛАВА II. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ДК ФЕНИКС.

1. Анализ процессов, ограничивающих точность измерения координат в многопроволочных газовых детекторах.

2. Теоретическое исследование и оптимизация рабочих параметров ДК ФЕНИКС.

3. Экспериментальное исследование проволочной структуры и режимов работы ДК ФЕНИКС.

ГЛАВА III. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КАЛИБРОВКА ДК ФЕНИКС

С ПОМОЩЬЮ МОНИТОРИНГОВОЙ КАМЕРЫ.

1. Требования к мониторинговой системе.

2. Метод измерения дрейфовой скорости электронов и относительного газового усиления.

3. Создание и тестирование прототипа мониторинговой камеры.

4. Особенности конструкции, экспериментальная установка и результаты тестирования рабочего варианта мониторинговой камеры.

5. Измерение дрейфовой скорости электронов и относительного газового усиления в аргон - этановых смесях.

6. Выбор рабочей газовой смеси ДК ФЕНИКС.

ГЛАВА IV ИССЛЕДОВАНИЕ AU + AU ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ

ЭНЕРГИИ = 130 ГЭВ.

1. Эксперимент ФЕНИКС во время первого физического цикла работы коллайдера RHIC.

2. Параметры ДК ФЕНИКС во время первого физического цикла работы коллайдера RHIC.

3. Экспериментальные результаты.

3.1 Измерение плотности заряженных частиц и поперечной энергии по псевдобыстроте в области малых псевдобыстрот.

3.1.1 Методика измерения плотности заряженных частиц и поперечной энергии.

3.1.2 Результаты измерения плотности заряженных частиц и поперечной энергии.

3.2 Измерение спектров поперечного импульса заряженных адронов.

3.2.1 Методика измерения поперечного импульса заряженных адронов.

3.2.2 Результаты измерения спектров поперечного импульса заряженных адронов.

3.3 Краткое изложение полученных результатов.

Одним из направлений в физике высоких энергий является исследование столкновений тяжелых релятивистских ядер, позволяющее изучать поведение ядерной материи в условиях высокой плотности частиц и энергии. Согласно предсказаниям фундаментальной теории сильных взаимодействий - квантовой хромо динамики, при температуре взаимодействующей системы ~ 150 МэВ должен происходить переход адронной материи в состояние со "свободными" кварками и глюонами, сопровождающийся частичным восстановлением киральной симметрии. Такое новое состояние ядерной материи принято называть кварк-глюонной плазмой.

Экспериментальное и теоретическое исследование нового состояния вещества является одним из приоритетных направлений в физике высоких энергий. Программа по изучению столкновений тяжелых релятивистских ядер с целью поиска и изучения свойств кварк-глюонной плазмы началась в 1986 году на синхротронах AGS (Alternating Gradient Synchrotron) в Брукхэйвенской Национальной Лаборатории (БНЛ, США) и SPS (Super Proton Synchrotron) в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН, Швейцария). Для того чтобы зафиксировать образование кварк-глюонной плазмы, необходимо одновременно измерить целую совокупность потенциальных признаков ее образования на основе регистрации адронов, лептонов и фотонов, образующихся в конечных стадиях реакций. К теоретически предсказанным признакам образования кварк-глюонной плазмы относятся: подавление выхода J/\jy, \\j , Т - частиц, увеличение выхода странных частиц, охлаждение струй с большим поперечным импульсом, увеличение выхода фотонов с поперечным импульсом 2-3 ГэВ/с, изменение ширины и массы ф - мезонов и т.д. К сожалению, практически все первичные признаки полностью или частично "размываются" в конечных стадиях реакций и имеют обычные адронные дубликаты. В результате, несмотря на множество новых эффектов, обнаруженных на синхротронах AGS и SPS и связанных с образованием плотной ядерной материи на начальных стадиях реакций, на сегодняшний день нет экспериментальных данных, однозначно свидетельствующих об образовании кварк-глюонной плазмы.

Прогресс в данной области может быть связан с повышением энергии взаимодействия тяжелых ионов, что достигается при использовании нового поколения ускорителей - коллайдеров. Первым в мире коллайдером подобного типа стал RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), который начал свою работу летом 2000 года в БНЛ. Коллайдер RHIC и его экспериментальные установки, расположенные в местах пересечения встречных пучков тяжелых ионов, предназначены для изучения новых явлений и процессов, возникающих в результате цветового деконфаймента и/или восстановления киральной симметрии, связанных с возможным образованием кварк-глюонной плазмы. Исследование взаимодействий встречных пучков тяжелых ядер требует новых подходов и технологий для создания экспериментальных установок, способных обеспечивать высокое импульсное и энергетическое разрешение и надежную идентификацию частиц в условиях высокой плотности частиц и частоты столкновений. Эксперименты на коллайдере RHIC используют различные подходы для поиска кварк-глюонной плазмы. Эксперимент ФЕНИКС, являющийся одним из двух больших экспериментов на коллайдере RHIC, предназначен, прежде всего, для измерения электромагнитных признаков образования кварк-глюонной плазмы в большом телесном угле, а также имеет возможность измерения характеристик адронов в сравнительно небольшом телесном угле.

Данная работа посвящена оптимизации параметров основного детектора центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС - многопроволочной фокусирующей дрейфовой камеры (ДК) и анализу физических результатов, полученных во время первого физического цикла работы коллайдера RHIC. Тема настоящей работы является актуальной, так как она связана с разработкой, оптимизацией и созданием самой современной техники в области экспериментальной физики высоких энергий, а также с изучением характеристик Аи + Аи взаимодействий при энергии =130 ГэВ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. В первой главе кратко описан состав и характеристики ускорительного комплекса RHIC, обсуждаются основные элементы физической программы эксперимента ФЕНИКС, сформулированы и систематизированы физические и конструктивные требования к ДК центральной трековой системы. Во второй главе приведены результаты исследования и оптимизации конструкции ДК центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС, изучения основных характеристик детектора на прототипах с помощью космических мюонов, протонного пучка Гатчинского синхроциклотрона с энергией 1 ГэВ, (3 - источника и тестового е'/лГ пучка синхротрона AGS со средней энергией 200 МэВ. Показана возможность создания легких1 фокусирующих дрейфовых камер больших размеров (6 м3, 12000 сигнальных проволок) с проволочной структурой jet типа и управляемой зоной сбора заряда, которые удовлетворяют требованиям высокого одно- и двухтрекового пространственного разрешения (а < 150 мкм и а| <2 мм соответственно) и высокой эффективности 99%) с использованием газовой смеси Аг-С2Н6 (50% - 50%). Третья глава посвящена разработке мониторинговой камеры (дополнительная дрейфовая камера малого размера, находящаяся в рабочих условиях основного детектора), предназначенной для измерения дрейфовой скорости электронов и пространственной калибровки ДК ФЕНИКС, а также для непрерывного контроля влияния параметров рабочей газовой смеси (температура, давление, состав) на дрейфовую скорость и газовое усиление в процессе эксперимента. Предложена конструкция и создана мониторинговая камера, обеспечивающая измерение дрейфовой скорости электронов в различных газовых смесях с точностью не хуже 0.5 %. Представ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе обобщается опыт по созданию уникальной фокусирующей дрейфовой камеры с малой радиационной длиной и представлены первые результаты ее использования в составе центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС для измерения распределений множественности и поперечного импульса заряженных частиц, рождающихся в столкновениях ядер золота при энергии в системе центра масс равной фш = 130 ГэВ. В этой связи, основные результаты и выводы диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Сформулированы и систематизированы физические, конструктивные и аппаратные требования к ДК центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС исходя из потребностей физической программы.

2. Оптимизированы структура и режимы работы фокусирующей jet проволочной ячейки камеры с управляемой зоной сбора заряда, удовлетворяющие требованиям высокого одно- и двухтрекового пространственного разрешения, высокой эффективности, отсутствия лево - правой неопределенности в определении положения трека и позволяющие уменьшить загрузку сигнальных проволок. Данная структура впервые реализована применительно к ДК большого объема и адаптирована для использования с "горячей" газовой смесью в эксперименте на коллайдере.

3. Разработана конструкция и создана мониторинговая камера (дополнительная дрейфовая камера малого размера), применяемая в ДК ФЕНИКС для пространственной калибровки и постоянного контроля свойств рабочей газовой смеси в процессе эксперимента. Мониторинговая камера обеспечивает измерение дрейфовой скорости электронов с наивысшей на данный момент точностью (<0.5 %).

4. С помощью мониторинговой камеры установлен эффект влияния испарения примесей с поверхности конструкционных материалов на дрейфовую скорость электронов. Подтверждена необходимость непрерывного контроля дрейфовой скорости электронов и учета ее изменения в калибровке ДК ФЕНИКС в ходе эксперимента.

5. На основе результатов прецизионного измерения дрейфовой скорости электронов в различных аргон - этановых смесях показано, что дрейфовая скорость в данных смесях в области электрических полей 0.4 кВ/см < Е < 2 кВ/см может быть рассчитана с большой точностью (~ 0.5 %) в рамках теоретической модели, учитывающей только сечения взаимодействия электронов с атомами (молекулами) газов, образующих смесь, и зависимости энергетических потерь электронов в одном акте взаимодействия от их энергии. Результаты измерений также позволили показать, что газовая смесь Аг/СгНб (50 % - 50 %) является оптимальной для использования в ДК ФЕНИКС.

6. На основе анализа информации, полученной при изучении столкновений ядер золота с энергией 65 ГэВ*А в эксперименте ФЕНИКС с участием ДК, показано, что:

- пространственная плотность энергии и заряженных частиц в 1.7 раза выше при энергиях коллайдера RHIC (д/^ш = 130 ГэВ), чем при энергиях синхротрона SPS (17.2 ГэВ), что приводит к появлению качественно новых эффектов в физике высоких энергий;

- наблюдаемое подавление выхода заряженных адронов с большим поперечным импульсом по сравнению ср + риА + А взаимодействиями при более низких энергиях качественно согласуется с предположением больших энергетических потерь жестко - рассеянных партонов в плотной среде, образующейся на начальных стадиях реакций.

Материалы, представленные в диссертации, обсуждались на семинарах Отдела Физики Высоких Энергий ПИЯФ, на семинарах международной коллаборации по проведению эксперимента ФЕНИКС в БНЛ (США), докладывались на Всероссийском молодежном форуме "Интеллектуальный

129 потенциал России - в XXI век" и Восьмой Венской Конференции по Проволочным Камерам.

В заключении хотел бы выразить глубокую признательность и благодарность моему научному руководителю Самсонову Владимиру Михайловичу за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.

Автор благодарит коллег по совместной работе: В.В. Баублиса, Я.А. Бердникова, Е.А. Взнуздаева, B.C. Козлова, Б.Г. Комкова, В.Ф. Космача, В. Пантуева, Е.В. Рощина, Ю.Г. Рябова, А.В. Ханзадеева, В.И. Тараканова за сотрудничество при проведении экспериментов, результаты которых приводятся в диссертации.

1. D.S.Barton, Heavy ion program at BNL: AGS, RH1., Preprint BNL-39493-mc, 10 p., 1987.

2. Phenix Conceptual Design Review, BNL, 450 p., 1993.

3. J.W.Harris, et al., Nucl. Phys. A566, 277 (1994).

4. B.Back, et al., Nucl Phys. A661, 690 (1999).

5. Z.Majka, et al., Acta Phys. Polon. B30, 451 (1999).

6. V.G.Riabov, et al., Nucl. Phys. A638, 565 (1998).

7. V.G.Riabov, Drift chambers for the PHENIX central tracking system, Talk given at 8th Vienna Wire Chamber Conference, Vienna, Austria, 1998; Nucl. Instrum. Meth. A419, 363 (1998).

8. G.Blanar, R.Sumner, New Time Digitizer Applications in particle physics Experiments, Proc. of the First International Conference on Electronics for Future Colliders, LeCroy Corporation, New York, 87, 1991.

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

10. T.Matsui, H.Satz, Phys. Lett. В178, 416 (1986).

11. D.Blaschke, Nucl. Phys. A525, 269 (1991).

12. S.Frankel, W.Frati, Phys. Lett. B441, 425 (1998).

13. D.Lissauer, E.V.Shuryak, Phys. Lett. B253, 15 (1991).

14. H.W.Barz, et al., Phys. Lett. B254, 315 (1991).

15. C.P.Singh, Phys. Rev. Lett. 56, 1750 (1986).

16. E.V.Shuryak, Phys. Lett. B78, 15 (1978).

17. M.Kataja, et al., Phys. Rev. D34, 2755 (1986).

18. L.Van Hove, Phys. Lett. B118, 138 (1982).

19. J.Rafelski, B.Muller, Phys. Rev. Lett. 48, 1066 (1982).

20. O.Hansen, Nucl. Part. Phys. A20, 1 (1991).

21. A.Capella, Nucl. Phys. A610, 132 (1996).

22. B.Muller, X.-N.Wang, Phys. Rev. Lett. 68, 2437 (1992).

23. E.V.Bugaev, M.A.Rudzskii, Sov. J. Nucl. Phys. 48, 925 (1988); Yad. Fiz. 48, 1452 (1988).

24. S.M.H.Wong, Phys. Rev. C58, 2358 (1998).

25. M.Gyulassy, M.Plumer, Phys. Lett. B243, 432 (1990).

26. Y.Koike, Energy loss of high energy partons traversing a quark-gluon plasma, Proc. AIP Conference 243, 916 (1992).

27. X.N.Wang, Phys. Lett. B485, 157 (2000).

28. S.Pratt, Phys. Rev. D33, 1314 (1986).

29. A.Bialas, et al., Nucl. Phys. B273, 703 (1986); B308, 857 (1988).

30. B.Sadoulet, Phys. Scripta23, 434 (1981).

31. W.W.M.Allison, J.H.Cobb, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 30, 253 (1980).

32. A.Sharma, F.Sauli, Nucl. Instrum. Meth. A350, 470 (1994).

33. C.J.Tarnopolsky, Ionization statistics and diffusion: analytical estimate of their contribution to spatial resolution of drift chambers, Preprint SLAC-PUB- 3048, 17 p., 1983.

34. E.J.Kobetich, R.Katz, Phys. Rev. 170, 391 (1968).

35. V.Palladino, B.Sadoulet, Nucl. Instrum. Meth. 128, 323 (1975).

36. J.H.Parker, J.J.Lowke, Phys. Rev. 181, 290 (1969).

37. J.H.Parker, J.J.Lowke, Phys. Rev. 181, 302 (1969).

38. D.Bettoni, et al., Nucl. Instrum. Meth. A236, 264 (1985); A252, 272 (1986).

39. R.Veenhof, Nucl. Instrum. Meth. A419,726 (1998).

40. H.Fischle, et al., Nucl. Instrum. Meth. A301, 202 (1991)

41. J.Soer, R.Bulirsch, Einfuhrung in die numerische Mathematik, Vol. II, Springer НТВ, Second Edition, 1978.

42. A.Vorobyov et.al., Monitoring of electron drift velocity in drift chambers with a decay recoils, preprint PNPI-1582, Gatchina, 9 p., 1990.

43. A.Peisert, F.Sauli, Preprint CERN 84-08, 128 p., 1984.

44. S.F.Biagi, Nucl. Instrum. Meth. A283, 716 (1989).

45. G.A.Erskine, Nucl. Instrum. Meth. 198, 325 (1982).

46. В.Г.Рябов и др., Влияние гравитационных и электростатических сил на положение проволочек в дрейфовой камере экспериментальной установки ФЕНИКС, Препринт ПИЯФ-2291, Гатчина, с.25, 1999.

47. В.Г.Рябов и др., Стендовые испытания дрейфовой камеры для системы ФЕНИКС, Тезисы докладов на Всероссийском молодежном научном форуме "Интеллектуальный потенциал России в XXI век", С.-Петербург, 13, 1995.

48. C.Chandlee, et al., Nucl. Instrum. Meth. 215, 369 (1983).

49. J.Bourotte, B.Sadoulet, Preprint CERN-EP/80-14, 20 p., 1980.

50. H.Anderhub, et al., Nucl. Instrum. Meth. 166, 581 (1979).

51. M.Calvetti, et al., The UA1 central detector, Preprint CERN-EP/82-44, 8 p., 1982.

52. K.Fujii, et al., Nucl. Instrum. Meth. A245, 35 (1986).

53. A.Sharma, F.Sauli, Nucl. Instrum. Meth. A323, 280 (1992).

54. D.G.Nunn, Some studies of gas gain measurements in proportional drift chambers, Preprint RALT-123, 134 p., 1991.

55. H.Houtman, C.J.Kost, A fortran program (Relax3D) to solve the three-dimensional poisson (laplace) equation, Preprint TRIUMF TRI-PP-83-95, 6 p., 1983.

56. R.Brun, et al., GEANT: simulation program for particle physics experiments, Preprint CERN CERN-DD-78-2-REV, 76 p., 1978.

57. I.N.Bronshtein, K.A.Semendyayev, Handbook of mathematics, Springer-Verlag Telos, Third Edition, 973 p., 1997.

58. V.G.Riabov, et al., Prototype of the electron drift velocity monitoring chamber for the PHENIX drift chamber, PNPI research report 1998-1999, Part 1, Gatchina, 208, 2000.

59. W.Blum, L.Rolandi, Particle detection with drift chambers, Springer, Berlin, Germany, 348 p., 1993.

60. C.M.Ma, et al., MIT Technical Reports 129 and 130, 1982.

61. J.Fehlman, G.Viertel, Compilation of data for drift chamber operation, ETH, Zurich, 1983.

62. F.Piuz, Nucl. Instrum. Meth. 205, 425 (1983).

63. V.G.Riabov, et al., Analysis of operation gas contamination sources in the PHENIX drift chamber using electron drift velocity monitoring chamber, Preprint PNPI-2326, Gatchina, 15 p., 1999.

64. V.G.Riabov, et al., Chamber for electron drift velocity monitoring in the operation gas of the PHENIX drift chamber, Preprint PNPI-2327, Gatchina, 17 p., 1999.

65. M.A.Miller, The Definitive Guide to Installing and Maintaining Arcnet, Token Ring, Ethernet, Starlan, and Fddi Networks, Lan troubleshooting Handbook.

66. E.Desmond, et al., Application of Java and Corba to distributed control and monitoring applications in the PHENIX online control system, CHEP 2000, Computing in high energy and nuclear physics 273, 5 p., 2000.

67. F.Rademakers, R.Brun, ROOT: An Object-Oriented Data Analysis Framework, Linux Journal, Issue 51, 1998.

68. V.G.Riabov, et al., Measurement of the electron drift velocity and gas gain in argon-ethane gas mixtures using the PHENIX monitoring chamber, PNPI research report 1998-1999, Part 1, Gatchina, 210, 2000.

69. U.Becker, et al., Gas R&D Home Page (http://cyclotron.mit.edu/drift).

70. B.Jean-Marie, et al., Nucl. Instrum. Meth. 159, 213 (1979).

71. Cross sections used by Magboltz, http://consult.cern.clT/writeup/magboltz/cross/

72. L.G.Christophorou, Atomic and molecular radiation physics, Wiley, New York, 1971; B.Schultz, Nucl. Instrum. Meth. 151, 413 (1978).

73. B.Schmidt, Nucl. Instrum. Meth. A252, 579-585 (1986).

74. V.Riabov, et al., Present status of the drift chamber for the PHENIX central tracking system, PNPI research report 1998-1999, Part 1, Gatchina, 33, 2000.

75. A.J.Baltz, et al., Correlated forward-backward dissociation and neutron spectra as a luminosity monitor in heavy ion colliders, e-Print Archive: nucl-ex/9801002, 1998.

76. M.Chiu, et al., Determining the number of participants using a hybrid Glauber model approach, PHENIX analyses note № an018, 8 p., 2000.

77. S.C.Johnson, A simple study of drift chamber reconstructionefficiency in light of two particle correlations, PHENIX analyses note № an027, 17 p., 2000.

78. X.-N.Wang, M.Gyulassy, Phys. Rev. D44, 3501 (1991).

79. V.G.Riabov, et al., Centrality dependence of charged particle multiplicity in Au Au collisions at = 130 GeV, Phys. Rev. Lett. 86, 3500 (2001).

80. V.G.Riabov, et al., Measurement of the midrapidity transverse energy distribution from = 130 GeV Au+Au collisions at RHIC,

81. Phys. Rev. Lett. 87:052301 (2001).

82. V.G.Riabov, et al., Overview of PHENIX results from the first RHIC run, e-Print Archive: nucl-ex/0106001.

83. G.J.Alner, et al., Z. Phys. C33, 1 (1986).

84. B.B.Back, et al., Phys. Rev. Lett. 85, 3100 (2000).

85. M.M.Aggarwal, et al., Eur. Phys. J. С18, 651 (2001).

86. F.Antinori, et al., Preprint CERN-EP-2000-002, 11 p., 2000.

87. K.J.Eskola, et al., Nucl. Phys. B570, 379 (2000).135

88. J.Bachler, et al., Nucl. Phys. A661, 45 (1999).

89. L.Ahle, et al., Phys. Rev. C59, 2173 (1999).

90. J.Barrette, et al., Phys. Rev. C51, 3309 (1995).

91. J.Barrette, et al., Phys. Rev. Lett. 70, 2996 (1993).

92. T.Alber, et al., Phys. Rev. Lett. 75, 3814 (1995).

93. V.Riabov, et al., Suppression of hadrons with large transverse momentum in central Au + Au collisions at ф~ 130 GeV, submitted to Phys. Rev. Lett,e-Print Archive: nucl-ex/0109003.

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

95. C.Albajar, et al., Nucl. Phys. B335, 261 (1990).

96. C.Abe, et al., Phys. Rev. Lett. 61,1818 (1988).

97. D.Antreasyan, et al., Phys. Rev. D19, 764 (1979).

98. A.L.S.Angelis, et al., Phys. Lett. B185, 213 (1987).

99. E.Wang, X.N.Wang, Phys.Rev. C64:034901 (2001).