Рождение странных частиц в релятивистских столкновениях тяжелых ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

005537966

Кондратьев Валерий Петрович

РОЖДЕНИЕ СТРАННЫХ ЧАСТИЦ В РЕЛЯТИВИСТСКИХ СТОЛКНОВЕНИЯХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2013

005537966

Работа выполнена на кафедре ядерной физики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Голохвастов Александр Иванович, Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна, ведущий научный сотрудник

доктор физико-математических наук Митропольский Иван Андреевич, Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова, заведующий лабораторией

доктор физико-математических наук Дьяченко Александр Трофимович, Петербургский государственный университет путей сообщения, профессор

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

Защита состоится «¿8» иИЛ^рЛ. 2013 г. в « часов на заседании диссертационного совета Д 212.232.16 на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний пр. В.О., д.41/43,мультимедийная ауд.304.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Г

Автореферат разослан «¿о» ЫчЗО^иХ 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук, доцент А.К. Власников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Как известно, в сильно нагретом или сжатом веществе могут происходить фазовые переходы в новое состояние. Если сжимать или нагревать ядерную материю, в ней может возникнуть переход из адронной фазы в состояние, называемое кварк-глюонной плазмой (КГП). В этом состоянии кварки и глюоны выходят за пределы области конфаймента с радиусом порядка 1фм, образуя единый кварковый мешок макроскопических размеров, в объеме которого они могут двигаться почти свободно. КГП может быть создана только в экстремальных условиях. Такие условия существовали спустя одну микросекунду после Большого Взрыва (высокая температура Т > 10 К) и, как ожидается, могут существовать в ядрах нейтронных звезд (высокая плотность, в десять раз превосходящая плотность ядерного вещества). В лабораторных условиях КГП может быть получена только в релятивистских ядро-ядерных столкновениях. Теоретические оценки показывают, что при соударениях тяжелых ядер с энергией более 100 ГэВ на нуклон достигается барионная плотность, в 2-3 раза превышающая плотность стабильной ядерной материи. Кроме того, образующаяся в области перекрытия сталкивающихся ядер система сильно взаимодействующих адронов, называемая файерболом, существует достаточно долго и может достигнуть термодинамического равновесия при температуре около 200 МэВ, превышающей температуру фазового перехода в состояние КГП. Этот горячий и плотный файербол образуется из нуклонов ядра-мишени и ядра-снаряда, испытавших хотя бы одно взаимодействие. Такие нуклоны принято называть нуклонами-участниками. Размер файербола, очевидно, пропорционален полному числу участников, которое зависит от размеров сталкивающихся ядер и прицельного параметра и служит мерой центральности ядро-ядерных столкновений. В зависимости от прицельного параметра различают периферические и центральные взаимодействия ядер. В центральных столкновениях с близким к нулю прицельным параметром образуется файербол с максимальной плотностью энергии. Изучение свойств такого файербола является одной из главных задач физики релятивистских ионов.

К наиболее убедительным сигналам, свидетельствующим об образовании КГП в центральных столкновениях тяжелых ионов, относится увеличение нормированного на число нуклонов-участников выхода странных частиц в ядро-ядерных столкновениях по сравнению с протон-ядерными реакциями. К странным частицам относятся К-мезоны с массой 490 МэВ и более тяжелые А, X, Е и П гипероны с массами, превосходящими массу нуклона. К-мезоны, гипероны и их античастицы являются носителями квантового числа Б, называемого странностью, которое определяется числом странных кварков в

з О

или антикварков s, входящих в состав данной частицы. Таким образом, множественность странных частиц, рождающихся в неупругих столкновениях релятивистских нуклонов, зависит от концентрации образовавшихся ss пар, которая в КГП должна быть выше, чем в обычной ядерной материи. Действительно, рождение кварк-антикварковых пар, в том числе и ss пар, происходит главным образом в процессе глюон-глюонного взаимодействия gg—»ss, вероятность которого в КГП возрастает по двум причинам. Во-первых, плотность глюонов в плазме очень велика, а во-вторых, восстановление в плазме киральной симметрии приводит к уменьшению массы странного кварка, что снижает энергетический порог образования странности. Следовательно, если в столкновениях ядер образуется КГП, то следует ожидать роста множественности странных частиц в конечном состоянии по сравнению с протон-ядерными реакциями. Об актуальности задачи поиска нового состояния ядерной материи в релятивистских ядро-ядерных столкновениях свидетельствует большое число как планируемых, так и уже осуществленных экспериментов, целью которых является наблюдение различных сигналов кварк-глюонной плазмы. Наряду с тяжелоионными экспериментами с фиксированной мишенью на протонном суперсинхротроне SPS в ЦЕРНе, в которых может быть измерен, как правило, ограниченный набор наблюдаемых, полномасштабное исследование характеристик ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях планируется осуществить в экспериментах STAR и PHENIX на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC в Брукхевене и в эксперименте ALICE на большом адроном коллайдере LHC в Женеве.

Цель работы.

В основе диссертационной работы лежит анализ данных, полученных в эксперименте NA57, который является одним из основных осуществленных в ЦЕРНе экспериментов с целью изучения выходов странных частиц в столкновениях тяжелых ионов при энергиях SPS. Главная задача эксперимента NA57 заключалась в измерении спектров К° мезонов, А0, Е~" и П гиперонов и их античастиц по поперечному импульсу и продольной быстроте в широком диапазоне центральности столкновений ядер свинца при двух граничных энергиях SPS 40 и 160 ГэВ на нуклон. Наличие в экспериментальной установке детектора центральности, предназначенного для отбора ядро-ядерных столкновений по величине их параметра удара, позволило провести сравнительный анализ центральных и периферических Pb+Pb столкновений. Его цель состояла в том, чтобы установить границу перехода от области простой суперпозиции нуклон-нуклонных взаимодействий к области, где начинают проявляться коллективные эффекты. Главная задача теоретического анализа состояла в сравнении экспериментальных распределений странных частиц с предсказаниями статистической модели ядерного файербола и партонно-струнной модели,

рассматривающей ядро-ядерные взаимодействия на партонном уровне, с целью прояснить механизмы рождения странных частиц в релятивистских столкновениях ядер.

Научная новизна работы.

1. Впервые измерены и проанализированы выходы К° мезонов, Л , и гиперонов и их античастиц, образующихся в РЬ+РЬ взаимодействиях при энергии 40 и 160 А ГэВ, в широком диапазоне центральности сталкивающихся ядер.

2. Определены гиперонные факторы для Л°, 2" и Л гиперонов и их античастиц, характеризующие усиление выхода странных частиц в РЬ+РЬ взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ по сравнению с р+Ве столкновениями.

3. Впервые измерены и систематизированы по параметру наклона распределения по поперечной массе К° мезонов, Л°, Е~ и ГГ гиперонов и их античастиц, образующихся в РЬ+РЬ взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ в центральной быстротной области единичной ширины.

4. Измерены и аппроксимированы быстротные распределения К° мезонов, Л°, Е- и £Г гиперонов и их античастиц, образующихся в РЬ+РЬ взаимодействиях при энергии 160А ГэВ в центральной области быстротного спектра.

5. Впервые определены факторы ядерной модификации для К° мезонов, Л и X гиперонов в РЬ+РЬ столкновениях при энергии 160А ГэВ.

6. Впервые построена корреляционная функция между средним значением поперечного импульса Л-гиперонов и множественностью заряженных частиц в двух разделенных интервалах по быстроте для РЬ+РЬ столкновений при энергии 160А ГэВ.

7. Проведены расчеты выходов и спектров странных частиц в рамках стандартных теоретических моделей ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях и выполнено детальное сравнение полученных экспериментальных результатов с модельными предсказаниями.

Научно-практическая ценность работы.

Результаты анализа выходов и спектров странных частиц в релятивистских столкновениях тяжелых ионов имеют большое значение как для понимания динамики ядерных процессов при высоких энергиях, так и для изучения свойств ядерного вещества в экстремальных состояниях. Усиление выхода странных частиц в центральных ядро-ядерных столкновениях рассматривается как возможный сигнал образования кварк-глюонной плазмы. Детальное исследование этого эффекта, проведенное в рамках диссертационной работы, может быть использовано при разработке теоретических моделей, описывающих возможные фазовые переходы в сильно сжатой и горячей адронной материи, а также космологических

моделей, описывающих состояние Вселенной на ранней стадии ее эволюции после Большого взрыва.

Полученные в диссертации результаты могут найти применение в исследованиях ядро-ядерных взаимодействий, которые проводятся в ряде научных центров, таких как ОИЯИ (г. Дубна), НИИЯФ МГУ (г.Москва), ФГУ НИЦ «Курчатовский институт» (г.Москва), НИИФ СПбГУ (г. Санкт-Петербург), ПИЯФ (г. Гатчина) и др.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа зависимости гиперонных факторов, характеризующих усиление выхода К° мезонов и Л , Н"ий" гиперонов и их античастиц в Pb+Pb взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ, от энергии и степени центральности Pb+Pb столкновений.

2. Результаты систематики спектров странных частиц по поперечной массе в Pb+Pb взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ по величине параметра наклона, характеризующего температуру кинетического вымораживания файербола.

3. Результаты анализа формы быстротных распределений К° мезонов и гиперонов в Pb+Pb взаимодействиях при энергии 160А ГэВ для разных классов центральности сталкивающихся ядер.

4. Результаты исследования факторов ядерной модификации для К° мезонов, Ли А гиперонов в Pb+Pb столкновениях при энергии 160 А ГэВ в зависимости от величины поперечного импульса странных частиц.

5. Результаты анализа корреляционной зависимости между средним значением поперечного импульса Л-гиперонов и множественностью заряженных частиц в Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ.

6. Результаты расчетов и интерпретации экспериментальных выходов и распределений странных частиц по поперечной массе и быстроте в рамках статистической модели.

7. Результаты расчетов и интерпретации экспериментальных выходов и распределений странных частиц по поперечной массе в рамках партонно-струнной модели.

Достоверность проведенных автором исследований.

Достоверность результатов, полученных в работе, определяется их согласованностью с экспериментальными данными других исследователей (коллаборация NA49 на SPS, коллаборации STAR и PHENIX на RHIC), использованием известных, проверенных практикой теоретических моделей и статистических методов обработки экспериментальной информации, а также публикациями основных результатов работы в рецензируемых научных изданиях и обсуждением результатов диссертации на конференциях и симпозиумах.

плоскими, и аппроксимировались экспоненциальными функциями:

= ^ = ^ехрГ- —

ттс1тт „Л5 rrij.dmj.dy V Т

где Л - нормировочный множитель, Т - параметр наклона, который в статистической модели имеет смысл температуры кинетического вымораживания файербола.

>

Ф 2

1.1 1.15 1.2 1.25

М(рлО [йеУ]

I- Ил / • ] '..I I

' 1 1.35 14 1,

М(ля') [<ЗеУ1

> О! 180

1П 160

т

с 140

ф

12(1

о

г 100

«0

60

40

20

а

Ф

1л , «Lff.fr , 1 I ^ КЛ < * *

1.« 1.7 1.8 1.9 2 М(ЛК-) КЗеЧ1

1.1 1.15 1.2

1.25

М{рп:+) [веЧ]

■

>

ф 2

___

1.3 1.35 1.4 1.45 М(ЛГС*) [ОеУ]

81) 70 60 50 40 30 20 10

а*

4-

1.6 1.7 _ 1.8 1.9 2 М(ЛК^ [веУ]

Рис.1. Распределения гиперонов по инвариантной массе продуктов их распада в РЬ+РЬ столкновениях при энергии 160А ГэВ.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра ядерной физики

На правах рукописи 05201450031 г - 1

Кондратьев Валерий Петрович

УДК 539.172.17

РОЖДЕНИЕ СТРАННЫХ ЧАСТИЦ В РЕЛЯТИВИСТСКИХ СТОЛКНОВЕНИЯХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2013

Оглавление.

Введение......................................................4

1. Странные частицы...............................................4

2. Кварк-глюонная плазма...........................................6

3. Эксперимент ИА57 и его цели....................................10

4. Основные результаты диссертационной работы......................12

5. Достоверность проведенных автором исследований..................13

6. Основные положения, выносимые на защиту.......................14

7. Структура диссертации..........................................15

8. Личный вклад автора..........................................16

9. Апробация результатов..........................................17

1. Теоретические модели рождения странных частиц в релятивистских ядро-ядерных взаимодействиях............. 18

1.1. Статистическое описание равновесных систем ................... 19

1.2. Статистическая модель ядро-ядерных взаимодействий ............ 23

1.2.1. Выходы адронов............................................25

1.2.2. Спектры адронов........................................... 31

1.3. Микроскопические модели ядро-ядерных взаимодействий..........34

1.3.1. Партонно-струнная модель...................................35

1.4. Выводы.....................................................40

2. Детекторный комплекс NA57...........................42

2.1. Трековый детектор........................................... 44

2.1.1. Пиксельные детекторы......................................45

2.1.2. Микростриповые детекторы .................................47

2.2. Детектор центральности...................................... 49

2.2.1. Сцинтилляционный детектор множественности................. 49

2.2.2. Микростриповый детектор множественности...................50

2.3. Детекторы частиц пучка........................................51

2.4. Триггер.....................................................53

2.5. Система сбора данных........................................54

2.6. Выводы.....................................................56

3. Методика обработки экспериментальной информации.....58

3.1. Реконструкция событий........................................58

3.1.1. Программа реконструкции событий ORHION....................59

3.1.2. Программа отбора событий ANALYZE.........................64

3.1.3. Программа оптимизации отбора событий CUTSTUDY............68

3.2. Процедура взвешивания событий...............................71

3.2.1. GEANT моделирование событий..............................73

3.2.2. Смешивание событий........................................74

3.2.3. Вычисление весов...........................................75

3.3. Построение распределений гиперонов по поперечной массе..........76

3.3.1. Определение области оптимального аксептанса..................78

3.3.2. Аппроксимация шт-спектров гиперонов.........................79

3.4. Вычисление выходов гиперонов................................81

3.5. Определение центральности ядро-ядерных столкновений...........82

3.6. Выводы.....................................................88

4. Экспериментальные результаты...........................89

4.1. Распределения странных частиц по поперечной массе в Pb+Pb столкновениях....................................................89

4.1.1. Pb+Pb столкновения при энергии 160А ГэВ......................89

4.1.2. Pb+Pb столкновения при энергии 40А ГэВ.......................94

4.2. Выходы странных частиц в Pb+Pb столкновениях..................97

4.2.1. Pb+Pb столкновения при энергии 160А ГэВ......................98

4.2.2. Pb+Pb столкновения при энергии 40А ГэВ......................104

4.2.3. Отношения выходов гиперонов...............................107

4.3. Быстротные распределения странных частиц в Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ............................................ 112

4.4. Выводы....................................................117

5. Сравнение экспериментальных результатов с предсказаниями теоретических моделей..................... 120

5.1. Анализ выходов и спектров странных частиц в рамках статистической модели.......................................... 120

5.1.1. Параметры кинетического вымораживания странных частиц в

Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ......................... 122

5.1.2. Параметры кинетического вымораживания странных частиц в

Pb+Pb столкновениях при энергии 40А ГэВ......................... 128

5.1.3. Продольная динамика и быстротные распределения странных частиц

в Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ....................... 133

5.1.4. Параметры химического вымораживания странных частиц в

Pb+Pb столкновениях при энергии 40 и 160А ГэВ.................... 138

5.2. Анализ выходов и спектров странных частиц в рамках партонно-струнной модели....................................... 141

5.3. Партонная модель и фактор ядерной модификации при

энергиях SPS ...................................................148

5.4. Партонная модель и динамические корреляции странных частиц .... 155

5.5. Выводы....................................................160

Заключение..................................................163

Список литературы............................................168

Введение.

1. Странные частицы.

В пятидесятые годы в экспериментах с космическими лучами и на вновь построенных ускорителях высоких энергий были открыты новые частицы, обладающие странной особенностью: они рождались парами, хотя не были частицей и античастицей. Первыми из таких открытых частиц были К-мезоны с массой 490 МэВ. Затем были обнаружены более тяжелые Л, Е, S и Г2 частицы с массами, превосходящими массу нуклона. Они были названы гиперонами. Другой особенностью этих частиц было большое время их жизни т~Ю"10 с, характерное для слабого взаимодействия, хотя в результате распада гиперонов образуются сильно взаимодействующие адроны. Для того чтобы объяснить такое поведение странных частиц, Гелл-Манн и Нишиджима высказали предположение, что К-мезоны и гипероны являются носителями еще одного нового квантового числа S, которое было названо странностью. Квантовое число S странной частицы определяется числом странных кварков или антикварков, входящих в состав данной частицы, и может принимать значения -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, если считать, что странный кварк несет странность S=-l. В таблице 1 представлен кварковый состав странных частиц и их основные характеристики [1], к числу которых относятся масса, среднее время жизни, каналы распада и вероятности распада по данному каналу (branching ratios).

Образование и распад странных частиц управляются законом сохранения странности: в сильных и электромагнитных взаимодействиях странность сохраняется (A S = 0), а в слабых взаимодействиях странность изменяется на единицу (AS = ±1). Этот закон позволяет сразу объяснить и парное рождение странных частиц в реакциях сильного взаимодействия, и большое время жизни до их распада, происходящего за счет слабого взаимодействия. В качестве примера на рис.1 показана кварковая диаграмма рождения К+

мезона и Л частицы в протон-протонном столкновении, а на рис.2 кварковые диаграммы их слабого распада на сильно взаимодействующие частицы.

Таблица 1. Основные характеристики странных частиц.

Частица Кварковый состав Б Масса, МэВ/с2 Время жизни, с Каналы распада ВЯ, %

Ки +1 498 8.93x10"9 Т/-0 + - К —»тс 71 68.6

Л иск -1 1116 2.63x10"'° Л°^ртс" 63.9

1° иск -1 1193 7.40x10"20 100

ин ШБ -2 1321 1.64x10"'° Н"—»Лл:" 99.9

а БББ -3 1673 8.22x10"9 67.8

й \ Г

и у

) Г

V и

а

и > Л

\

\

}

>

Рис.1. Кварковая диаграмма рождения странных частиц в протон-протонных столкновениях.

Рис.2. Кварковые диаграммы слабых распадов странных частиц.

2. Кварк-глюонная плазма.

Как известно, в сильно нагретом или сжатом веществе могут происходить фазовые переходы в новое состояние. Примерами таких переходов являются всем знакомые превращения льда в воду и воды в пар. Если сжимать или нагревать ядерную материю, в ней может возникнуть переход из адронной фазы в состояние, называемое кварк-глюонной плазмой (КГП). В этом состоянии кварки и глюоны выходят за пределы области конфаймента с радиусом порядка 1 фм, образуя единый кварковый мешок макроскопических размеров, в объеме которого они могут двигаться почти свободно. КГП может быть создана только в экстремальных условиях. Такие условия

существовали спустя одну микросекунду после Большого Взрыва (высокая

12

температура Т > 10 К) и, как ожидается, могут существовать в ядрах нейтронных звезд (высокая плотность, в десять раз превосходящая плотность ядерного вещества).

В лабораторных условиях КГП может быть получена только в релятивистских ядро-ядерных столкновениях. Теоретические оценки показывают, что при соударениях тяжелых ядер с энергией более 100 ГэВ на нуклон достигается барионная плотность, в 2-3 раза превышающая плотность стабильной ядерной материи. Кроме того, образующаяся в области перекрытия сталкивающихся ядер система сильно взаимодействующих адронов, называемая файерболом, существует достаточно долго и может достигнуть термодинамического равновесия при температуре около 200 МэВ, превышающей температуру фазового перехода в состояние КГП. Как показано на рис.3, этот горячий и плотный файербол образуется из нуклонов ядра-мишени и ядра-снаряда, испытавших хотя бы одно взаимодействие. Такие нуклоны принято называть нуклонами-участниками, а нуклоны, не вступившие во взаимодействие, называются спектаторами. Размер файербола, очевидно, пропорционален полному числу участников, которое зависит от размеров сталкивающихся ядер и прицельного параметра. Таким образом, число участников может служить мерой центральности ядро-

ядерных столкновений. В зависимости от прицельного параметра различают периферические и центральные взаимодействия ядер. В периферических столкновениях с прицельным параметром больше среднеквадратичного ядерного радиуса область перекрытия ядер невелика, а значит мало и число участников. В центральных столкновениях с близким к нулю прицельным параметром почти все нуклоны испытывают взаимодействие, образуя файербол с максимальной плотностью энергии. В лобовых столкновениях двух ядер свинца максимальное число участников равно 416.

Ядро-снаряд Спектаторы снаряда

Рис.3. Геометрия столкновения ядер с прицельным параметром Ъ.

К наиболее убедительным сигналам, свидетельствующим об образовании КГП в столкновениях тяжелых ионов, относятся подавление выхода .ГЛР-мезонов и увеличение выхода странных частиц.

.!ЛР-мезон - это связанное состояние очарованного кварка с и антикварка с. Рождение .ГЛР-мезона легко детектируется по лептонным каналам его распада

Ядро-мишень

Спектаторы мишени

J/T—>е+е и 1/4* —»\i+[i . Если пара сс рождается в КГП, то сильное взаимодействие между кварками оказывается меньше, чем в случае ее рождения в вакууме. Этот эффект обусловлен экранированием цветового заряда очарованных кварков в кварк-глюонной среде, аналогичным дебаевскому экранированию в электромагнитной плазме. Таким образом, в процессах с образованием КГП должно наблюдаться меньше 1ЛР-мезонов, чем в процессах, не сопровождающихся фазовым переходом адронного вещества в состояние плазмы [2].

Увеличение выхода странных частиц в ядро-ядерных столкновениях по сравнению с нуклон-ядерными взаимодействиями является одним из наиболее ранних предсказанных теоретиками сигналов КГП [3,4]. Дело в том, что кварк-глюонная плазма содержит в единице объема больше ss пар, чем обычная ядерная материя. Действительно, рождение кварк-антикварковых пар, в том числе и ss пар, происходит главным образом в процессах глюон-глюонного взаимодействия, но вероятность процесса gg —» ss в КГП должна возрастать по двум причинам. Во-первых, плотность глюонов в плазме очень велика, а во-вторых, восстановление в плазме киральной симметрии [5] приводит к уменьшению массы странного кварка, что снижает энергетический порог образования странности. Кроме того, адронный файербол, образующийся в центральных ядро-ядерных столкновениях при энергиях протонного суперсинхротрона SPS в ЦЕРНе

( a/snn =5^20 ГэВ), характеризуется большой барионной плотностью вследствие полной остановки нуклонов-участников, а стало быть, высокой начальной концентрацией und кварков. В таких условиях образование ss пар будет доминировать в силу принципа запрета Паули: когда энергия Ферми для легких кварков больше массы ss пары, рождение такой пары становится энергетически более выгодным, чем образование uu и dd пар. Следовательно, если в столкновениях ядер образуется кварк-глюонная

плазма, то следует ожидать увеличения числа странных частиц в конечном состоянии по сравнению с протон-ядерными реакциями. С другой стороны, некоторые из рождающихся в большом количестве нестранных частиц могут перерассеиваться, образуя новые странные адроны посредством механизма парного или ассоциативного рождения. По этой причине конечное содержание легких странных частиц в чистой адронной фазе файербола может оказаться сравнимым с их числом в случае образования КГП, оставаясь в обоих случаях намного выше, чем в нуклон-ядерных столкновениях. Что касается тяжелых странных барионов, то их рождение в результате перерассеяния в файерболе является медленным процессом, так как для этого требуется большое число последовательных адронных столкновений с высоким порогом, что делает маловероятным заметное увеличение их выхода. Наоборот, если КГП, содержащая большое число s s кварков, достигает равновесного состояния к моменту ее адронизации, то следует ожидать значительного роста числа антибарионов в сравнении с обычным адронным сценарием, а также роста отношений выходов E/A и QJA.

Об актуальности задачи поиска нового состояния ядерной материи в релятивистских ядро-ядерных столкновениях свидетельствует большое число как планируемых, так и уже осуществленных экспериментов на SPS, целью которых является наблюдение различных сигналов КГП [6-10]. Наряду с тяжелоионными экспериментами на SPS, в которых может быть измерен, как правило, только один из сигналов КГП, полномасштабное исследование характеристик ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях планируется осуществить в экспериментах STAR [11] и PHENIX [12] на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC и в эксперименте ALICE [13] на большом адроном коллайдере LHC.

3. Эксперимент NA57 и его цели.

В основе данной диссертационной работы лежит анализ данных, полученных в тяжелоионном эксперименте NA57, в котором было продолжено исследование выхода странных частиц в ядро-ядерных столкновениях при высоких энергиях, начатое в более ранних экспериментах на SPS. К их числу относится эксперимент WA85, в котором исследовались p+W и S+W столкновения при энергии пучка 200 ГэВ на нуклон [14,15], и эксперимент WA85, целью которого было изучение выхода странных частиц в p+S и S+S столкновениях при той же энергии пучка [16,17]. После этих двух экспериментов с пучками ядер серы коллаборацией WA97 были изучены особенности рождения странных частиц в столкновениях более тяжелых ядер свинца при энергии 160А ГэВ. Во всех трех экспериментах было обнаружено возрастание выходов странных частиц в ядро-ядерных столкновениях по сравнению с их значениями, полученными экстраполяцией результов в протон-ядерных взаимодействиях.

В ю3

-g 10 ■

О) >

О-

10

participants

рВе рРЬ

' I I 11111

Q"+Q

PbPb

j_i i i ' 111_i_i.......i

10

10 <N.

10

participants

>

Рис.4. Выходы странных частиц в РЬ+РЬ столкновениях относительно р+Ве столкновений в зависимости от среднего числа нуклонов-участников.

На рис.4 показаны измеренные в эксперименте WA97 выходы странных барионов и отрицательно заряженных адронов в зависимости от среднего числа нуклонов-участников в р+Ве, р+Pb и Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ [18]. Выходы всех частиц нормированы на их выходы в р+Ве взаимодействиях, вследствие чего все данные, относящиеся к этой реакции, сливаются в одну точку. Прямая линия, проведенная через эту точку, отражает ожидаемое поведение выходов частиц при условии, что выходы пропорциональны числу нуклонов-участников. Множественность гиперонов, рождающихся в р+Pb системе, согласуется с этой линейной экстраполяцией их выходов в р+Ве реакции, что указывает на идентичность механизмов рождения странных частиц в нуклон-ядерных взаимодействиях. В случае Pb+Pb столкновений выходы частиц лежат выше экстраполяционной зависимости. Такое возрастание выходов странных частиц в ядро-ядерных столкновениях называют усилением странности (strangeness enhancement). Обращает на себя внимание тот факт, что усиление странности растет с ростом числа странных кварков в составе гиперона. Этот эффект был предсказан ранее в работах [3,4] и рассматривается как один из возможных сигналов образования кварк-глюонной плазмы. Эксперимент NA57 был разработан и выполнен с целью расширить диапазоны исследований эксперимента WA97.

1) В эксперименте NA57 рождение странных частиц исследуется в более широком диапазоне центральности ядро-ядерных столкновений. Экспериментальная установка NA57 позволяет выделять периферические события с числом нуклонов-участников, в два раза меньшим минимально возможного в эксперименте WA97. Таким образом, одна из задач эксперимента NA57 состояла в том, чтобы выяснить, в какой степени сохраняется усиление странности в ядро-ядерных системах с небольшим числом нуклонов, с целью установить границу перехода от области простой суперпозиции нуклон-нуклонных взаимодействий к области, где начинают проявляться коллективные эффекты.

2) В эксперименте NA57 вых�