Томография ядерной материи при соударениях релятивистских ядер тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ
|
Теплов, Константин Юрьевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.23
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА
На правах рукописи
ТЕПЛОВ Константин Юрьевич
ТОМОГРАФИЯ ЯДЕРНОЙ МАТЕРИИ ПРИ СОУДАРЕНИЯХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЯДЕР
Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва, 2005
Работа выполнена на кафедре космических лучей и физики космоса физического факультета Московского государственного университета им. М В.Ломоносова
Научные руководители- доктор физико-математических наук,
профессор
Сарычева Людмила Ивановна
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лохтин Игорь Петрович
Официальные оппоненты- доктор физико-математических наук,
профессор
Калмыков Николай Николаевич (НИИЯФ МГУ),
доктор физико-математических наук,
профессор
Дремин Игорь Михайлович
(ФИАН, Москва)
Ведущая организация- Московский инженерно-физический институт
(государственный университет) (Москва)
Защита диссертации состоится " ¿6 " А<ЪЯ 2005 г. в/^тасов на заседании диссертационного совета К 501.001.03 в Московском государственном университете им М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г.Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, аудитория 2-15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.
Автореферат разослан 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета К 501.001.03 кандидат физико-математических наук
САл^
А.К Манагадзе
1. Общая характеристика работы
Актуальность темы
Диссертация посвящена изучению возможности регистрации различных характеристик соударений релятивистских ядер на установке Компактный Мюонный Соленоид (CMS) на строящемся в настоящее время в Европейском центре ядерных исследований (CERN) Большом Адронном Коллайдере (LHC)
Актуальность данной работы связана с необходимостью изучения физических процессов в ядро-ядерных соударениях сверхвысокой энергии, что требует разработки новых научных методов анализа данных, получаемых на экспериментальных установках.
Основными целями работы являются:
1 Моделирование множественного рождения частиц и струй в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и определение их чувствительности к образованию кварк-глюонной плазмы (КГП).
2 Изучение возможности исследования различных физических процессов в соударениях тяжелых ионов и создание методик анализа откликов де-тскторов установки CMS Изучение возможности исследования различных процессов в ядро-ядерных соударениях на установке CMS
На защиту выносятся:
1 Результаты анализа модификации функции фрагментации струи (в том числе от кварков, "помеченных" лидирующими мюонами) в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и возможности использования калориметрической системы установки CMS для изучения данных эффектов
2 Результаты исследования корреляции энергетического потока и парамет ра удара и анализ методики определения параметра удара по энергетическому отклику в области передних калориметров (3 S М — ® установки CMS
3 Алгоритмы нахождения струй в переднем HF-калориметрр (3 < lf/| < 5) и нейтральных пионов в струях в электромагнитном калориметре (~3 5:
установки CMS в случае соударений тяжелых ионов
4 Анализ методики мониторирования и калибровки адронного калориметра установки CMS, а также влияние раскалибровки на восстановление канала распада Хиггс-бозона на два таона
Научная новизна и практическая ценность работы
Проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих нейтральных пионов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, на основе которого продемонстрирована возможность использования данного эффекта для диагностики формирования КГП Впервые показана возможность наблюдения функции фрагментации струи с лидирующим нейтральным пионом в условиях эксперимента на CMS
Проанализирован канал с рождением инициированных b-кварками и "меченных" мюонами струй для диагностики КГП Впервые проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих мюонов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и сделан вывод о его чувствительности к абсолютному значению потерь энергии 6-кварка в КГП и угловому спектру излучаемых в среде глюонов
Разработаны оригинальные алгоритмы поиска и реконструкции струй в HF калориметре установки CMS и электромагнитных кластеров в струях в событиях с высокой множественностью Было показано что использованные алгоритмы позволяют адекватно решить задачу измерения функции фраг ментации струи в соударениях тяжелых ионов на установке CMS
Проанализирована методика определения параметра удара для случая ударений тяжелых ионов по корреляции параметра удара с полной (попсреч ной) энергией, выделяющейся в области передних калориметров установки CMS а также с числом непровзаимодействовавших нуклонов ядер Было показано что достигнутая для РЬ - Р^соударений точность определения параметра удара позволяет адекватно определить центральность соударений для физического анализа различных каналов
Разработанна оригинальная методика мониторирования алронного калориметра установки CMS, использующая анализ энергетических распределений в башнях калориметра Было показано, что дисперсия и более высокие моменты распределений чувствительны к понижающейся способности ячеек калориметра регистрировать энергию вследствие накапливающихся радиационных повреждений Данная методика позволяет определять коэффициенты характеризующие подавление энергии в калориметре, даже в случае значительного фона и малой загрузки башен сигнальными событиями
Впервые исследована чувствительность канала распада Хиггс-бозона на два таона к изменению абсолютной шкалы измеряемой энергии и к неопределенности калибровочных коэффициентов в адронном калориметре установки CMS Было показано, что гауссово размытие (в разумных пределах) калибровочных коэффициентов довольно слабо влияет на эффективность отборов для нахождения Хиггс-бозона и разрешение по его массе
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в отечественных и зарубежных научных журначах, в виде сообщений коллаборации CMS и препринтов НИИЯФ МГУ Они докладывались на Международной конференции "Quark Matter'2002" (Нант Франция, 2002), на 5-ой Международной конференции по физике и астрофизике кварк-глюонной плазмы (Калькутта, Индия, 2005) на совещаниях RDMS CMS коллаборации (2002, 2003, 2004), на Ломоносовских чтениях МГУ, а также на научных семинарах в НИИЯФ МГУ и в Европей
этом центре ядерных исследований (Женева, Швейцария) Публикации
Вошедшие в диссертацию результаты опубликованы в шести работах [1-6}
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения Диссертация содержит 129 страниц с 48 рисунками и 17 таблицами Список цитируемой литературы состоит из 172 наименований
2. Содержание работы
Во введении сформулированы цели работы и обоснована ее актуальность, описана структура диссертации, приводится ее краткое содержание по главам перечислены основные физические и методологические выводы диссертации, а также основные публикации.
В первой главе приводится обзор научной литературы, обсуждаются общие проблемы, связанные с изучением ультрарелятивистских ядро-ядерных соударений
Исследование ультрарелятивистских столкновении ядер в экспериментах на действующих и строящихся ускорителях тяжелых ионов дает уникальную возможность для изучения свойств сильновзаимодействующей материи со столь высокой плотностыо энергии, при которой ожидается достижение леконфайнмента адронной материи и образование газа асимптотически свободных партонов — так называемой кварк-глюонной плазмы, в которой экранируется цветовое взаимодействие между партонами в силу коллективных эффектов Приведены последние данные коллайдера RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории, которые согласуются с гипотезой о существовании КГП Однако твердые доказательства ее возникновения в ультрареляти-вистких соударениях тяжелых ионов собираются получить на строящемся в настоящее время в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) Большом Адронном Коллайдере (LHC — Large Hadron Collider)
Во второй главе главе приводятся общие сведения о коллайдере LHC дается общее описание установки Компактный Мюонный Соленоид (Compact Mijnp SolpnoKÎ — CMS) и ее отдельных детекторов. Обсуждается общая научная программа исследований эксперимента CMS, и, в частности, научная программа по изучению ядро-ядерных столкновений. Подробно рассматривается работа передних калориметров данной установки — HF и CASTOR Кроме того, обосновывается необходимость проведения методической работы по созданию алгоритмов реконструкции различных процессов в ядро-ядерных соударениях на установке CMS.
Пуск коллайдера LHC намечен на 2007 год Длина кольца LHC составляет 27 километров, магнитное поле отклоняющих магнитов 8.4 Тесла Энергия столкновения протонов в системе центра масс будет равна LHC будет работать в режимах высокой и низкой светимости: = 1034
соответственно.
Ускоритель будет использоваться также для изучения столкновений тяжелых ионов. Энергия, которая будет достигнута при этом, равняется 14 • (Z/A) ТэВ на пару нуклонов (Z — заряд ядра, А — его атомная масса). Светимость будет меньше, чем для случая протон-протонных столкновений, и составит, например для свинец-свинцовых соударений, Ьрь = 1027 СМ * сек-1
В экспериментах на коллэйдере LHC предпологается решать следующие задачи
1 Исследование процессов в рамках и за пределами Стандартной Модели
• поиск Хиггс-бозонов,
• поиск суперсимметричных частиц (SUSY);
• поиск лептокварков.
2 Исследование столкновений тяжелых ионов.
• изучение адронной материи в экстремальных условиях (огромная плотность энергии, высокая температура и бариохимический потенциал)-
• поиск кварк глюонной плазмы (условия возникновения и ее свойства)
3 Изучение уже известных процессов при энергии LHC (свойства топ кварка, В-физика и т д )
Для peaлизации этой программы в точках пересечения пучков планируется проведение еще трех экспериментов (помимо CMS) ATLAS, ALICE и LHC-B
Установка CMS состоит из (см рис 1)
• трекового детектора,
• электромагнитного калориметра (ECAL ЕВ ЕЕ),
• эдрончого калориметра 'HCAL HB, НЕ, передний HF-калориметр!
• переднего калориметра CASTOR,
• мюонных камер
Параметры установки CMS длина (без передних калориметров) 21 б метра, диаметр 14 б метра, масса 14 500 тонн Установка CMS помещена в магнитное поле напряженностью 4 Тесла, создаваемое мошным сверхпроводя щим соленоидом
Трековый детектор установки CMS состоит из кремниевых пиксельных и стриповых детекторов Электромагнитный калориметр будет собран из кристаллов вольфрамата свинца (.PbWOi) Конструкция адронного калориметра (НВ и НЕ) состоит из медных пластин и сцинтилляторов Мюонные камеры представляют собой алюминиевые дрейфовые детекторы
Трековый детектор и мюонные камеры покрывают область псевдобыстро ты |jj| <2 4, электромагнитный и адронный (НВ и НЕ) калориметры — область
Передний (Hadron Forward — HF) калориметр установки CMS предназначен для измерений в области псевдобыстроты 3.0 < < 5 2, в которой выделяется максимальный поток энергии Оптимальным решением, удовлетворяющим требованиям регистрировать физические процессы с приемлемой точностью и одновременно обеспечивать высокую надежность работы, является калориметр на основе кварц-пластиковых волокон, использующий регистрацию черенковского света
Передний калориметр CASTOR (Contauro And STrange Object Research) покрывает область псевдобыстроты Он представляет со-
бой совокупность электромагнитного и адронного калориметров и составлен из слоев пластик вольфрамата свинца, выступающих в роли поглотителя, и кварцевых пластин как активной среды Сигналом является черенковский свет, порожденный прохождением заряженных частиц ливня через кварц
В третьей главе рассматривается программное обеспечение для моделирования соударений ядер на установке CMS Подробно обсуждаются ис пользуемые в работе программы-генераторы HIJING, PYTHIA и PYQUEN Приведено описание программы GEANT-описания установки CMS, адаптированной к моделированию откликов детекторов на ядро-ядерные столкно-
вения
Были выбраны программы, представляющиеся в достаточной степени адекватными с физической точки зрения, хорошо зарекомендовавшие себя и широко используемые в том числе исследователями из международной колла-борации CMS В первую очередь стоит отметить такие микроскопические модели как генератор протон-протонных соударений PYTHIA и генератор ядро-ядерных соударений HIJING Для моделирования возникающего в соударениях тяжелых ионов эффекта подавления струй, вместе с PYTHIA использовалась программа PYQUEN, позволяющая рассматривать различные сценарии потерь энергии партонами в КГП
Для детального моделирования откликов установки CMS группой специалистов из CERN создан пакет компьютерных программ CMSIM (CMS Simulation Package), основанный на GEANT-описании геометрии установки Наряду с целым рядом предоставляемых программой возможностей, существенным недостатком является тот факт, что в ней не был предусмотрен случай ядро-ядерных соударений (изначально программа CMSIM создавалась для случая протон-протонных взаимодействий) Поэтому использовалась допополнительная процедура разбиения полного события с высокой множественностью (так, в случае центральных свинец-свинцовых соударений она достигает 100000 частиц) на отдельные мини-события по 1000 частиц и УХ объединение уже на последнем шаге получения откликов установки CMS Чртврртая пятая и шестая главы посвящены разработанным диссертантом методам изучения различных процессов в ядро-ядерных соударениях на установке CMS
Раздел IV. 1 содержит описание возникновения потерь энергии струями в плотной горячей ядерной материи в ядро-ядерных столкновениях Приведена методика восстановления функции фрагментации струи (ФФС), характеризующей такие потери Исследуется возможность измерения ФФС в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов с помощью лидирующих в струе нейтральных пионов Приводится описание созданного итерационного алго-
ритма реконструкции электромагнитных кластеров в соударениях тяжелых ионов Показана возможность наблюдения ФФС с лидирующим нейтральным пионом в условиях эксперимента на CMS.
Рождение струй — один из важных инструментов изучения свойств сверхплотной сильновзаимодействующей материи, КГП Потери энергии партонов (гораздо более интенсивные в КГП, чем в "холодном" ядерном веществе) могут приводить к ряду экспериментально наблюдаемых эффектов. В частности, исследуется возможность "смягчения" ФФС .(ФФС, D^z1 — вероятность найти в струе адрон h, уносящий определенную долю У поперечного импульса рг струи.
где у11 — у — быстрота адрона, z' = pVp* = Рх/Рт — уносимая конечным адроном доля импульса партона к) и, как следствие, подавление выхода ад-ронов с большими рт, в ядро-ядерных соударениях по сравнению с моделью независимых нуклон-нуклонных бинарных столкновений При энергии LHC открывается новый режим физики соударений тяжелых ионов, в котором жесткие и полужесткие процессы рождения, вероятно, будут доминировать над мягкими эффектами, а статистика ожидается достаточно высокой для систематического анализа различных аспектов "КХД-физики" в среде с начальной плотностью энергии, намного превышающей критическое значение для кварк-адронного фазового перехода. Адекватная реконструкция адрон-ных струй и электромагнитных кластеров в широком аксептансе адронного и электромагнитного калориметров будет возможна, в частности, в условиях эксперимента CMS Таким образом, идентификация лидирующих частиц в струях позволит провести непосредственное измерение ФФС. Сравнение ФФС в АА- и рр-соударениях (или центральных и периферических АА-взаимодействиях) даст информацию о модификации ФФС в сррде
При исследовании ФФС важен вопрос об угловом распределении излученных глюонов, определяющем, какая часть их энергии летит за пределы угло-
вого конуса струи Узкоугловая параметризация спектра излученных глюо-нов (глюоны излучаются коллимированно)
где во ~ 5° — типичный угол, под которым происходит когерентное глюонное излучение
Широкоугловая параметризация спектра излученных глюонов (глюоны излучаются в широком угле)
№ 1 л Л
« - , 0 < в < тг/2 .
Для моделирования начальных распределений струй в нуклон-нуклонных соударениях при энергии LHC yfs == 5.5 ТэВ был использован генератор PYTHIA Затем проводилось пособытийное моделирование методом Монте-Карло перерассеяния и потерь энергии партонов струи в КГП (с помощью программы PYQUEN).
В настоящем разделе рассматриваются нейтральные пионы в качестве лидирующих частиц в струе С методической точки зрения полный трекинг в соударениях тяжелых ионов на LHC является весьма сложной задачей, в то время как реконструкция струй и электромагнитных кластеров с исполь зованием калориметрических систем к настоящему времени представляется вполне перспективной При достаточно большом поперечном импульсе
в случае установки CMS) оба фотона от распада попадают в один и тот же кристалл электромагнитного калориметра. Такой электромагнитный кластер может быть идентифицирован как лидирующий в струе, если он принадлежит жесткой струе и уносит значительную часть ее энергии При используемом минимальном пороге на энергию восстанавливаемой струи, оцениваемая статистика в геометрическом аксеп-
тансе эксперимента CMS, порядка ю7 струй за один месяц работы
LHC с пучками свинца.
Важным условием экспериментального измерения ФФС является адекватная реконструкция струй в соударениях тяжелых ионов с большой множе-
ственностью и реконструкция электромагнитных кластеров в таких струях Разработанные алгоритмы поиска струй и электромагнитных кластеров позволяют решить эту задачу.
Остановимся на описании разработанного автором диссертации алгоритма для поиска и реконструкции электромагнитных кластеров.
Данный алгоритм основан на нахождении электромагнитных кластеров выше средней энергии и пособытийном вычитании фона. В каждом событии реализуется следующая последовательность операций.
1 подавление фона путем вычитания из энергии в кристаллах калориметра среднего и дисперсии в соответствующих кольцах по
2 нахождение кристалла с максимальной энергией — центра электромагнитного кластера и ячейки кристаллов 5x5,
3 вычитание из первичной энергии в кристаллах внутри ячейки 5 х 5 новых значений среднего и дисперсии в соответствующих кольцах по полученных без учета ячейки 5x5,
4 суммирование энергии в кристаллах внутри ячейки 5x5 — измерение энергии электромагнитного кластера.
Эффективность нахождения электромагнитных кластеров (отношение числа реконструированных кластеров к полному числу сгенерированных класте-
7т° в струе (для частиц с £У>40_ГэВ). Энергетическое разрешение составляет для всех случаев 5%. Пространственное разрешение (точность определения цешров электромагнитных кластеров) для всех случаев составляет СГ7j 0.03
что по величине имеет схожий порядок с размерами кристаллов электромагнитного калориметра.
Была рассчитана ФФС для струй с лидирующими и проведено сравнение фактора модификации ФФС в среде для центральных соударений Pb-Pb, D^i(z)/D^fz), полученного, а) на уровне частиц в рамках описанной модели, б) на уровне реконструированных откликов калориметрической системы CMS Отношение /D^^z) представлено на рис.2
Рис 2 Фактор модификации ФФС, DAA(z)/Dp"(z), в центральных взаимодействий РЬ -РЬ Квадраты — результат на уровне частиц, кружки - результат на уровне реконструированных откликов установки
Видно, что фактор модификации ФФС, вычисленный на уровне частиц, совпадает в пределах статистических ошибок с фактором модификации ФФС, полученным в результате пропускания событий через установку с последующей реконструкцией струй и электромагнитных кластеров
Таким образом, можно сделать вывод, что модификацию ФФС можно наблюдать в эксперименте CMS.
В разделе IV.2 проанализирован канал с рождением инициированных b- кварками и "меченных" мюонами струй для диагностики КГП Проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих мюонов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и сделан вывод о его чувствительности к абсолютному значению потерь энергии b-кварка в КГП и угловому спектру излучаемых в среде глюонов.
В струях от легких кварков лидирующими частицами являются нейтральные или заряженные адроны, однако в струях от тяжелых кварков лидирующей частицей может являться мюон, образовавшийся в результате полу-лептонного распада мезона. Таким образом, если в струе имеется мюон с большим поперечным импульсом рт, то такая струя может быть образована
в результате адронизации тяжелого кварка Стоит заметить, что ~ 20% всех 5-мезонов и ~ 12% D-мезонов распадаются на мюоны, причем половина мюонов от распада В-мезонов рождается через промежуточные D-мезоны
Используется PYTHIA для расчета сечения рождения 6-струй и соответствующих спектров при -y/Spp = 5.5 ТэВ и для оценки ожидаемого количества наблюдаемых событий при условии реального геометрического аксепганса остановки и кинематических ограничений Так, геометрия установки CMS позволяет регистрировать струи (адронную и электромагнитную составляющие) в об части псевдобыстроты | 7] |< 3 и мюоны — | Г] |< 2.4 Моделирование процессов перерассеяния и потерь энергии партонов струи проводилось с помощью программы PYQUEN Считалось, что мюон является лидирующей частицей, если он принадлежит жесткой струе и уносит более 20% ее энергии При используемых минимальных порогах на минимальный поперечный импутьс мюона, и на энергию восстанавливаемой струи,
Е!^тт > 100 ГэВ, оцениваемая для процесса В —> лидирующий ¡г статистика в геометрическом аксептансе эксперимента CMS порядка 2 X 103 событий за один месяц работы LHC с пучками свинца
На рис 3 показан фактор модификации ФФС от b кварка с образованием лидирующего мюона в центральных . -соударениях с двумя типами
параметризации углового распределения излученных глюонов Можно увидеть смягчение ФФС от i^-кварков, обусловленное энергетическими потерями партонов при г > 0 4 Эффект усиливается с увеличением Z и более заметен для узкоуглового излучения Причина последнего факта заключается в том. что вклад узкоуглового излучения в полную потерю энергии струей (обусловленную энергетическими потерями партонов вне конуса струи) много меньше в сравнении с широкоугловым излучением Широкоугловое излучение увеличивает долю энергетических потерь партонов вне конуса струи и, таким образом уменьшает конечный поперечный импульс струи (который является знаменателем в определении без влияния на числитель в
выражении для Z и, как следствие, на уменьшение эффекта смягчения ФФС
Риг 3 Отношение ФФС от Ь--кварков с лидирующими мюонами в случае < чнрркчиче скими потерями к той же ФФС, но без энергетических потерь партонов в центральных РЬ - РЬ-соударениях Точечная кривая для случая узкоуглового излучения пунктирная кривая для случая широкоуглового излучения Использованные кинематические ограничения описаны в тексте
Пятая глава посвящена возможностям использования передних калориметров (HF, CASTOR) установки CMS для изучения различных процессов при (точкновениях тяжелых ионов
В разделе V. 1 описываются особенности восстановления энергии в HF калориметре
В данном разделе представлен анализ восстановления откликов HF-ка-лориметра на примере Аг — Лг--соударений, смоделированных с помощью программы HIJING Далее события были пропущены через установку (пакет программ CMSIM) Значения энергии в башнях калориметра складываются из суммы значений энергий, выделившихся в коротких и длинных волокнах Сравнивая потоки полной энергии, восстановленной в калориметре, и потоки задаваемой полной энергии (энергии HIJING), был сделан вывод о необходимости использования дополнительных калибровочных коэффициентов тля введения соответствия энергии, зарегистрированной в калориметре, и
энергии НПШО. Коэффициенты определяются для каждой башни по т) путем деления энергии НПШО, Ещлнс, в соответствующих башням калориметра псевдобыстротных интервалах на энергию, восстановленную НБ-калориметром, Енр В дальнейшем для получения точности определения параметра удара и энергии будут использованы отклики после проведения дополнительной калибровки.
Получив отклики НБ-калориметра на Аг — Лг-соударения, была найдена точность определения полной и поперечной энергии, реконструируемой в НБ-калориметре, сравнительно с НШКО (рис.4) Видно, что калориметр позволяет адекватно измерить энергию Относительная ошибка в определении как полной, так и поперечной энергии составляет при Е > 30000 ГэВ, ЕТ > 1000 ГэВ величину 0.1 -г 0.2 и при Е < 30000 ГэВ, ЕТ < 1000 ГэВ -О 2 - 0.6
Рис 4 Величина относительной ошибки в определении полной и поперечной энергий, восстанавливаемых в НБ калориметре (СМ81М 120), сравнительно с НПШО, ч зависимости от энергии для 750 Аг - Аг событий
В разделе У.2 описан алгоритм нахождения в НБ-калориметре жестких струй, рождающихся в соударениях тяжелых ионов.
Реконструкция струй в НБ-калориметре важна при поиске Хиггс-бозона в каналах распада, порождающих струи с большой псевдобыстротой.
Методическая задача изучения нахождения струй и определения их энергии НБ-калориметром решалась в несколько этапов, включающих симуляцию откликов калориметра на Аг - Аг события, выступающих в качестве фона, генерацию струй, сложение откликов на струи и фоновые события, использование алгоритмов выделения струй из фона и реконструкции их энергии.
Вследствие того, что на получение откликов на соударения тяжелых ионов с помощью пакета программ СМ81М затрачивается значительное время, возможна процедура быстрой симуляции этих откликов.
Зная энергетические распределения в башнях калориметра для каждого кольца по п при различных параметрах удара, генерируются значения энергии в каждой конкретной башне для каждого кольца по п согласно этим распределениям. Таким образом, можно получить картину заполнения башен калориметра для Аг - Аг-соударений с различными параметрами удара В дальнейшем эта процедура используется для получения откликов НБ-калориметра на события, считающиеся фоновыми для жестких струй, нахождение и реконструкция которых является одной из целей ланной работы
С помощью программы РУТН1Л среди жестких событий выделялись жесткие струи с псевдобыстротой 3.9 < по < 4.1 (центр по п НБ-калориметра).
Далее, используя пакет программ СМ81М, получаем отклики НБ-калори-метра на струю. Затем струи смешиваются с фоном путем сложения откликов струи с откликами, полученными в результате процедуры быстрой симуляции фоновых событий Аг - Аг.
Для нахождения струй в НБ-калориметре и определения их энергии автором диссертации был написан алгоритм, содержащий следующие шаги
1 подавление фона путем вычитания из энергии в башнях калориметра среднего и дисперсии в соответствующих кольцах по
2 нахождение башни с максимальной энергией — центра конуса струи,
3 вычитание из первичной энергии в башнях внутри конуса струи новых значений среднего и дисперсии в соответствующих кольцах по ц, полученных без учета башен внутри конуса,
4 суммирование энергии в башнях в конусе — измерение энергии струи Эффективность нахождения струй при использовании данного алгоритма
составляет ~ 100% для поперечной энергии струи > 70 ГэВ Разрешение по энергии струй уменьшается для струй выделенных из фона, по сравнению со струями без фона Так, для струй с = 40 ГэВ [EJET ~ 1 ТэВ) оно состав тает 20% и 7% соответственно
Раздел V.3 содержит описание применения передних калориметров для восстановления параметра удара при соударениях релятивистских ионов Приведены результаты по определению параметра удара как на уровне частиц, так и в случае полного моделирования установки
Исходя из знания параметра удара, можно судить о возникающих в уль-трарелягивистских соударениях тяжелых ионов условиях, таких как температура давление, барионный заряд, химический потенциал, что важно для обнаружения нового состояния материи кварк-глюонной плазмы
Область псевдобыстроты HF-калориметра установки CMS наиболее приемлема с точки зрения и( пользования для измерения прицельного параметра в столкновениях тяжелых ионов, поскольку энерговыделение в этой области минимальным образом (по отношению к другим доступным областям псевдобыстроты) зависит от различного рода динамических эффектов в адронной материи при экстремальных температурах и давлениях
Исследуется метод определения параметра удара с помощью калориметров HF и CASTOR, исходя из существующей корреляции параметра удара с потоком полной (поперечной) энергии, а также с числом непровзаимодей-ствовавших нуклонов сталкивающихся ядер
Были смоделированы РЬ- Pb-соударения с параметрами удара от 0 фм до ] 5 фм с помощью программы-генератора ядро-ядерных соударений HIJING
Энергия в системе центра масс сталкивающихся ядер равна -у/? = 5 5А ТэВ Ради} с ядра РЬ равен 6 8 фм
На рис 5 показана ошибка (разрешение) ЫР-калориметра в определении параметра удара с;,, исходя из описанных видов корреляций
Рис 5 Точность определения параметра удара оь по корреляции параметра удара Ь 1) с полной энергией Е выделившейся в калориметре HF (пустые кружки), CASTOR (закрашенные кружки), 2) с числом непровзаимодействовавших нуклонов (треугольники; в разных диапазонах значения параметра удара (Статистика 3000 РЬ — Pb-соударений с параметром удара 6 = 0-15 фм в случае 1, 500 РЬ - Pfr-соударений с параметром удара Ь = 0 - 20 фм в случае 2 )
Была рассчитана точность определения параметра удара с помощью HF-калориметра для случая Ar—Ar-соударений Но исследовалось, как повлияет установка на точность определения параметра удара Для этого вначале были сгенерированы Ar—Ar-соударения с помощью генератора HIJING затем они были пропущены через установку с использованием пакета программ CMSIM
Используя корреляцию между потоками полной и поперечной энергии и параметром удара, рассчитана точность определения параметра удара для Ar — Ar-соударений Величина ошибки в определении параметра удара в пределах ошибок вычисления не зависит от параметра удара и составляет 0 5 — 0 9 фм при использовании потока полной энергии и 0 6г 0 8 фм при использовании потока поперечной энергии (рис б) Можно отметить, сравнивая эти данные с результатами HIJING, отображенными на том же рисунке, что HF-калориметр позволяет адекватно определить параметр удара
о) А - HIJING О - HF responses
4: { V * \ Ц i* f
2 3 4 5 6 ^ S <b>(£), fm
ь)
: Ч ..., 1.,,. 1,. ! ♦ ' * . 1 , ... 1 .... 1 .... 1 . .
1 2 3 4 5 6 7 8 <Ь>(ЕТ),
Рис б Величина ошибки в определении параметра удара с помощью ИБ-калориметра (СМ81М) сравнительно с ИЫШО, в зависимости от парамегра удара для 750 Аг - Аг событий
Шестая глава включает обсуждение проблемы мониторирования и ка либровки адронного калориметра установки CMS
Раздел VI.1 посвящен вопросу мониторирования и калибровки адронного калориметра по моментам энергетического распределения в башнях калориметра
Для решения этого вопроса применяется пакет программ ORCA (Object oriented package for Cms Reconstruction and Analysis), предназначенный для реконструкции и анализа физических событий на установке CMS В ORCA используются два объекта HcalRealisticReadout и RerHitHistogrnmrmng написанный автором диссертации и встроенный в общую структуру ORCA Объект HcalRealisticReadout позволяет подавлять энергию в башнях адронного калориметра, путем искусственного введения дополнительных множителей (коэффициентов) к энергии ячеек калориметра Объект RecHitHistogramming дает возможность получать значения энергии (до-
полнительно занося их в гистограммы) и моментов энергетического распределения в каждой ячейке калориметра за определенное число событий и записывать их в текстовый файл, а также сравнивать ячейки калориметра с подавленной энергией с соседними калориметрическими ячейками.
При мониторировании важно рассчитать необходимую статистику, необходимую для обнаружения подавления энергии в калориметрических ячейках и измерения его величины с 2%-точностью, или "время набора" (время, за которое будет достигнута данная статистика). Было получено, что в случае рр-соударений высокой светимости для калориметров НВ, НБ, ЫБ время набора составляет ~208 сек, ~-47 сек и ~30 сек соответственно (при 10%-подавлении энергии в башнях калориметров) Для случая рр-соударений низкой светимости соответствующие значения следующие- ~277 сек, ~15б сек и ~78 сек.
Рис 7 Чувствительность моментов энергетического распределения к величине подавления энергии в НЕ-калориметре
На рис 7 показаны полученные результаты по чувствительности моментов энергетического распределения к подавлению энергии в башнях, а — восстанавливаемый коэффициент подавления энергии в башнях, исходя из анализа среднего значения (mean1), дисперсии {D'^), третьего {D'^) и четвертого (D
моментов распределения Кружки на рисунках соответствуют тестируемым ячейкам с заложенным коэффициентом подавления 1 (отсутствие подавления) квадраты — 0 9 (уменьшение чувствительности ячейки к регистрации )нерг ии на 10%) треугольники — 0 7 (уменьшение чувствительности на 30%] звездочки 0 5 (уменьшение чувствительности на 50%)
Результаты исследования показывают, что данная методика позволяет с высокой точностью определить ячейки калориметра с наличием подавления и определить величину подавления энергии, а также проводить мониториро-вание в режиме реального времени во время работы ускорителя
В разделе VI.2 рассматривается влияние раскалибровки адронного калориметра на канал распада Хиггс-бозона .Н —> тт -> струи Изучается поведение таких характеристик как эффективность отборов для нахождения Хиггс-бозона, разрешение по массе Хиггс-бозона, разрешение по недостающей энергии и энергии струй от таонов.
Рассматривается раскалибровка двух видов "абсолютная" и "относительная" "Абсолютная" раскалибровка представляет собой систематическое уменьшение чувствительности калориметра к измеряемой энергии на определенную постоянную величину Это связано с изменением свойств калориметра во времени, обусловленным прежде всего сильной радиацией "Относительная" раскалибровка рассматривается как наличие у каждой ячейки калориметра неопределенности в измерении энергии и моделируется путем домноже-ния значения энергии, оставляемой частицами в калориметре, на множитель, величена которого распределена по Гауссу с максимальным значением в 1 Ширина гауссова распределения характеризует величину размытия энергии или ее неопределенности Физическая причина такой раскалибровки связана с различными факторами такими как флуктуации в развитии ливня и в числе фотоэлектронов в ФЭУ и др
Рассматриваемый в связи с раскалибровкой адронного калориметра канал распада Хиггс-бозона на два таона считается одним из наиболее перспективных с точки зрения исследования (так, доля такого канала среди остальных
составляет 8-тЮ%) Для данного канала существует несколько этапов отбора событий в кандидаты с наличием Хиггс-бозона- присутствие в событии струй пт глонов) с поперечной энергией Е^ ^ > 60 ГэВ, величина недостающей энергии Егиь > 40 ГэВ, отличные от 0 поперечные импульсы таонов И нейтрино ру и угол в азимутальной плоскости между направлением наблюдаемого импульса таона и направлением, в котором теряется энергия Ь
Изучение влияния раскалибровки на канал распада Хиггс-бозона на два таона проводилось с помощью программы реконструкции этою канала, имеющейся в ОЯСЛ .Sm.qqH2ta.ulj Домнож.рние значений энергии на различные коэффициенты, характеризующие как систематическое уменьшение чувствительности калориметра к регистрации энергии, так и гауссово размытие энергии, происходило с помощью программы
Так, для случая абсолютной раскалибровки при реконструкции канала распада Хиггс-бозона с массой 500 ГэВ/с2, изменение даже на ± 1 % чувствительности всех ячеек калориметра (те абсолютной шкалы измеряемой энергии) приводит к ±2 9%-изменению эффективности отбора, что говорит о сильном влиянии точности калибровки калориметра на данный канал и ведет к необходимости его постоянного мониторирования и абсолютной калибровки
В случае отнситр.гт1-МГ1й быта также опррдеченя эффектив-
ность отборов для нахождения Хиггс-бозона. Она незначительно меняется в предеинх не< кольких процентов, даже при 10-г30%-размытии в соответствующих частях калориметра Форма распределений по измеренной массе Хиггс-бозона, недостающей поперечной энергии, восстанавливаемой поперечной энергии струй от таонов меняется слабо даже при сильном размытии энергии
Причиной слабого влияния относительной раскалибровки на приведенные распределения и канал распада Хиггс-бозона в целом вероятнее всего является симметричность принятого для моделирования распределения Гаусса (эффект компенсации), а также то, что наиболее вероятные значения коэф-
фиииента неопределенности близки к 1 (нет размытия энергии), в то время как отличные от 1 подавлены экспоненциально
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации-
1 Проведен расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих нейтральных пионов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, на основе которого демонстрируется возможность использования данного эффекта для диагностики формирования кварк-глюонной плазмы Показана возможность наблюдения функции фрагментации струи в условиях эксперимента на CMS
2 Проанализирован канал с рождением инициированных b-кварками и "меченных" мюонами сгруй приведена оценка ожидаемой статистики при реалистичных кинематических обрезаниях и геометрическом аксептансс эксперимента CMS на LHC, сделаны численные расчеты эффекта модификации измеряемой с помощью лидирующих мюонов функции фраг ментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и показана его чувствительность к абсолютному значению потерь энергии b- кварка в кварк-глюонной плазме и угловому спектру излучаемых в среде глюонов.
3 Решена методическая задача поиска и реконструкции жестких струй в HF-калориметре, позволяющая реконструировать струи с эффективностью до 100% (для струй с поперечной энергией > 70 ГэВ) и с энергетическим разрешением 20% и 7% (для струй с поперечной энергией > 40 ГэВ) в случае с фоном и без фона соответственно.
4 Разработан оригинальный алгоритм реконструкции электромагнитных кластеров в струях в событиях с высокой множественностью, который реконструирует кластеры с эффективностью ~ 100% для одиночных 7Г0 и ~ 90% для лидирующих 7Г° в струе, с энергетическим разрешением
~ 5% и с пространственным разрешением ~ 0.03 по псевдобыстроте и ~ 0 01 по азимутальному углу для 7Г° с поперечной энергией > 40 ГэВ
5 Разработана методика определения центральности ядро ядерного взаимодействия, основанная на корреляции между параметром удара и энергетическим выделением в передних калориметрах установки CMS (HF, CASTOR). Рассчитанное на уровне частиц разрешение определения параметра удара составило около 1 фм для всех областей центральности в РЬ — Pb-соударениях Было также показано на примере соударений Ar - Ar. что полное моделирование откликов HF-калориметра практически не приводит к ухудшению точности определения центральности взаимодействия.
6 Создана программа быстрого моделирования откликов HF-калориметра на соударения тяжелых ионов, позволяющая сэкономить значительное время и компьютерные ресурсы, затрачиваемые на детальное моделирование откликов установки CMS. Эти отклики могут быть в дальнейшем использованы в качестве фона для различных сигнальных событий.
7. Разработана оригинальная методика мониторирования адронного калориметра по энергетическому распределению в его ячейках, позволяющая находить башни калориметра, в которых уменьшилась эффективность регистрации энергии вследствие радиационных повреждений, и определять дополнительные калибровочные коэффициенты для восстановления энергии. Изучено влияние раскалибровки адронного калориметра на канал распада Хиггс-бозона Н ТТ —> струи. Показано, что изменение абсолютной шкалы измеряемой энергии в адронном калориметре на ± 1 % приводит к изменению эффективности отборов для нахождения Хиггс-бозона на ± 3%, в то время как гауссово размытие калибровочных коэффициентов на 10-30% приводит к незначительному (в пределах нескольких процентов) изменению эффективности отборов для нахождения Хиггс-бозона.
Список литературы
[1] J Damgov, V Genchev, VAKolosov, I P Lokhtm, S V Petrushanko, L I Sarycheva С Yu Teplov, S V Shmatov, P I Zarubm "Heavy ion studies with CMS HF calorimeter", Письма в ЭЧАЯ 107 93-109, 2001 (CMS Note 2001/055)
[2] И H Варданян, И П Лохтин, Л И Сарычева, А М Снигирев, К Ю Теплов "Модификация функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях ядер и ее определение в канале с рождением лидирующего ", ЯФ, том 68, №°2 с 357-365, 2005
[3j I P Lokhtin, L I Sarycheva, A M Snigirev, К Yu Teplov "Medium-modified fragmentation of b-jets tagged by a leading muon in ultrarelativistic heavy ion collisions", Eur Phys J С 37 465-469, 2004
[4] И П Лохтин, А Н Никитенко, С В Петрушанко, Л И Сарычева, К Ю Теплов "Особенности регистрации струй в HF калориметре установки CMS на LHC", Препринт НИИЯФ МГУ - 2002-8/692
[5] И П Лохтин, Л И Сарычева, К Ю Теплов "Определение центральности в соударениях ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ Г ПОМОЩЬЮ передних калориметров установки CMS па LHC", Препринт НИИЯФ МГУ - 2004-22/761
[6] К Teplox et al "ТЬР study of misralibration of HCAL" 9th Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, NCPHEP, Minsk Belarus 28 November - 2 December, 2004, pp 396 410
Принято к исполнению 29/01/2005 Исполнено 02/02/2005
Заказ № 571 Тираж 100 экз
ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 (095) 318-40-68 www autoreferat ru
a/.W
i
156
i ' V
19 «¿KM
Введение
Глава I. Столкновения релятивистских ядер
1. Введение. История вопроса.
2. Модели ядро-ядерных взаимодействий
3. Мягкие и жесткие тесты плотной материи в ультрарелятивистских столкновениях тяжелых ядер.
Глава II. Установка CMS на коллайдере LHC
1. Большой адронный коллайдер (LHC) . 3G
2. Общее описание установки Компактный мюонный соленоид (CMS)
3. Наблюдаемые в ядро-ядерных взаимодействиях на установке CMS
Глава III. Программное обеспечение для моделирования ядро-ядерных соударений на установке CMS.
1. Компьютерные ирограммы-гсиераторы столкновений релятивистских ядер. HIJING, PYTHIA и PYQUEN
2. Программное обеспечение для моделирования отклика установки CMS
Глава IV. Струи. Энергетические потери струи. Модифи
Y> кация функции фрагментации струи (ФФС) в ультрарелятивистских соударениях ядер
1. Восстановление ФФС в канале с рождением лидирующего 7Г°
2. Определение ФФС в канале с рождением лидирующего мюона в струях от 6-кварков
Глава V. Использование передних калориметров установки CMS. Определение параметра удара.
1. Восстановление энергии, выделившейся в HF-калориметре
2. Нахождение и реконструкция струй в HF-калориметре
3. Определение параметра удара с помощью калориметров HF и CASTOR.
Глава VI. Мониторирование и калибровка адронного калориметра установки CMS
1. Мониторирование адронного калориметра по моментам энергетического распределения в ячейках калориметра.
2. Влияние раскалибровки адронного калориметра на реконструкцию канала Н —>■ тт —струи
Актуальность темы
В настоящее время высокий интерес к изучению свойств сверхплотной материи, образующейся в ультрарелятивистских столкновениях ядер, обусловлен возможностью достижения в этих условиях деконфайнмен-та адронной материи и формирования кварк-глюонной плазмы (КГП). В этой связи в последнее время рассматриваются т.н. "жесткие" тесты КГП — адроны, лептоны, фотоны и струи с большими поперечными импульсами, несущие информацию о ранних стадиях ее эволюции. Экспериментальные данные, полученные на коллайдере RHIC в Брукхейвен-ской национальной лаборатории (подавление выхода жестких адронов, сильная азимутальная анизотропия потока частиц), дают основания полагать, что КГП могла быть образована в наиболее центральных соударениях тяжелых ионов (Аи — Аи). При энергии RHIC жесткие процессы (с передачей импульса >> 1 ГэВ/с) играют важную роль в формировании начального состояния, но влияние "мягкой" физики все еще существенно для интерпретации данных. При энергии коллайдера LHC в Европейском центре ядерных исследований открывается новый режим физики соударений тяжелых ионов, в котором жесткие и полужесткие процессы рождения вероятно будут доминировать над мягкими эффектами, а статистика ожидается достаточно высокой для систематического анализа различных аспектов "КХД-физики" в среде с начальной плотностью энергии, намного превышающей критическое значение для кварк-адронного фазового перехода. При прохождении через плотную среду и взаимодействии с ее конституентами, струи партонов изменяют свои первоначальные свойства: направление импульса, энергию и распределение партонов внутри струи. Актуальной проблемой представляется проведение всестороннего анализа возможности детектирования КГП, условий ее формирования и характера пространственно-временной эволюции с помощью "жестких" тестов — адронных струй, жестких адронов, лидирующих частиц в струе и лептонных пар больших инвариантных масс, модификация спектров которых может служить признаком перерассеяния в КГП. В то же время для подготовки к анализу данных, которые будут получены на LHC, актуальной и важной задачей представляется также разработка и оптимизация алгоритмов поиска и реконструкции жестких струй и лидирующих частиц в струях с учетом реальных условий эксперимента, в частности, большой множественности "фоновых" частиц и предельных загрузок детекторов, а также определение глобальных характеристик соударения (центральности).
Диссертация посвящена моделированию множественного рождения частиц и струй в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и изучению условий регистрации различных характеристик ядро-ядерных соударений на установке Компактный мюонный соленоид (CMS) на строящемся в настоящее время в Европейском центре ядерных исследований коллайдере LHC.
Основной целью работы является:
1. Моделирование множественного рождения частиц и струй в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и определение их чувствительности к образованию КГП.
2. Изучение возможности исследования различных физических процессов в соударениях тяжелых ионов и создание методик анализа откликов детекторов установки CMS.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа модификации функции фрагментации струи (в том числе от кварков, "помеченных" лидирующими мюонами) в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и возможности использования калориметрической системы установки CMS для изучения данных эффектов.
2. Результаты исследования корреляции энергетического потока и параметра удара и анализ методики определения параметра удара по энергетическому отклику в области передних калориметров (3 < М < 6.7) установки CMS.
3. Алгоритмы нахождения струй в переднем HF-калориметре (3 < |?7| < 5) и нейтральных пионов в струях в электромагнитном калориметре (—3 < г] < 3) установки CMS в случае соударений тяжелых ионов.
4. Анализ методики мониторирования и калибровки адронного калориметра установки CMS, а также влияние раскалибровки на восстановление канала распада Хиггс-бозона на два таона.
Научная новизна и ценность работы
Проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих нейтральных пионов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, на основе которого продемонстрирована возможность использования данного эффекта для диагностики формирования КГП. Впервые показана возможность наблюдения функции фрагментации струи с лидирующим нейтральным пионом в условиях эксперимента на CMS. Проанализирован канал с рождением инициированных 6-кварками и "меченных" мюонами струй для диагностики КГП. Впервые проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих мюонов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и сделан вывод о его чувствительности к абсолютному значению потерь энергии 6-кварка в КГП и угловому спектру излучаемых в среде глюонов.
Разработаны оригинальные алгоритмы поиска и реконструкции струй в HF-калориметре установки CMS и электромагнитных кластеров в струях в событиях с высокой множественностью. Было показано, что использованные алгоритмы позволяют адекватно решить задачу измерения функции фрагментации в соударениях тяжелых ионов на установке CMS.
Проанализирована методика определения параметра удара для случая соударений тяжелых ионов по корреляции параметра удара с полной (поперечной) энергией, выделяющейся в области передних калориметров установки CMS, а также с числом непровзаимодействовавших нуклонов ядер. Было показано, что достигнутая для РЬ — Рб-соударений точность определения параметра удара позволяет адекватно определить центральность соударений для физического анализа различных каналов.
Разработана оригинальная методика мониторирования адронного калориметра установки CMS, использующая анализ энергетических распределений в башнях калориметра. Было показано, что дисперсия и более высокие моменты распределений чувствительны к понижающейся способности ячеек калориметра регистрировать энергию вследствие накапливающихся радиационных повреждений. Данная методика позволяет определять коэффициенты, характеризующие подавление энергии в калориметре, даже в случае значительного фона и малой загрузки башен сигнальными событиями. Впервые исследована чувствительность канала распада Хиггс-бозона на два таона к изменнеию абсолютной шкалы измеряемой энергии и к неопределенности калибровочных коэффициентов в адронном калориметре установки CMS. Было показано, что гауссово размытие (в разумных пределах) калибровочных коэффициентов незначительно влияет на эффективность отборов для нахождения Хиггс-бозона и разрешение по его массе.
Результаты данной работы важны для изучения ядро-ядерных соударений на установке CMS и могут быть использованы в других международных ускорительных экспериментах.
Vi
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в отечественных и зарубежных научных журналах, в виде сообщений коллаборации CMS и препринтов НИИЯФ МГУ. Они докладывались на Международной конференции "Quark Matter'2002" (Нант, Франция, 2002), на 5-ой Международной конференции по физике и астрофизике кварк-глюонной плазмы (Калькутта, Индия, 2005), на совещаниях RDMS CMS коллаборации (2002, 2003, 2004), на Ломоносовских чтениях МГУ, а также на научных семинарах в НИИЯФ МГУ и в Европейском центре ядерных исследований (Женева, Швейцария).
Публикации
Представленные в диссертации результаты опубликованы в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Структура диссертации
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и приводится общее описание структуры диссертации.
В первой главе приводится обзор научной литературы, обсуждаются общие проблемы, связанные с изучением ядро-ядерных соударений высокой энергии. Также обсуждается возможность формирования кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжелых ионов при энергиях ускорителя LHC, который начнет свою работу в 2007 году.
Во второй главе дается общее описание установки CMS и ее отдельных детекторов. Обсуждается общая научная программа исследований эксперимента CMS. Описана научная программа по изучению ядро-ядерных столкновений на установке CMS. Кроме того, обосновывается необходимость проведения методической работы по созданию алгоритмов реконструкции различного рода процессов в столкновениях тяжелых ионов на установке CMS.
В третьей главе рассматривается программное обеспечение для моделирования ядро-ядерных соударений на установке CMS. Обсуждаются программы-генераторы HIJING, PYTHIA и PYQUEN. Приведено описание программы GEANT-описания установки CMS, адаптированной к моделированию откликов детекторов на ядро-ядерные столкновения.
Четвертая, пятая и шестая главы посвящены разработанным диссертантом методам изучения различных процессов в ядро-ядерных соударениях на установке CMS.
Заключение
В работе получены следующие основные результаты:
1. Проведен расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих нейтральных пионов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, на основе которого демонстрируется возможность использования данного эффекта для диагностики формирования кварк-глюонной плазмы. Показана возможность наблюдения функции фрагментации струи в условиях эксперимента на CMS.
2. Проанализирован канал с рождением инициированных 6-кварками и "меченных" мюонами струй: приведена оценка ожидаемой статистики при реалистичных кинематических обрезаниях и геометрическом аксептансе эксперимента CMS на LHC, сделаны численные расчеты эффекта модификации измеряемой с помощью лидирующих мюонов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и показана его чувствительность к абсолютному значению потерь энергии 6-кварка в кварк-глюонной плазме и угловому спектру излучаемых в среде глюонов.
3. Решена методическая задача поиска и реконструкции жестких струй в HF-калориметре, позволяющая реконструировать струи с эффективностью до 100% (для струй с поперечной энергией > 70 ГэВ) и с энергетическим разрешением 20% и 7% (для струй с поперечной энергией > 40 ГэВ) в случае с фоном и без фона соответственно.
4. Разработан оригинальный алгоритм реконструкции электромагнитных кластеров в струях в событиях с высокой множественностью, который реконструирует кластеры с эффективностью ~ 100% для одиночных 7г° и ~ 90% для лидирующих 7Г° в струе, с энергетическим разрешением ~ 5% и с пространственным разрешением ~ 0.03 по псевдобыстроте и ~ 0.01 по азимутальному углу для 7Г° с поперечной энергией > 40 ГэВ.
5. Разработана методика определения центральности ядро-ядерного взаимодействия, основанная на корреляции между параметром удара и энергетическим выделением в передних калориметрах установки CMS (HF, CASTOR). Рассчитанное на уровне частиц разрешение определения параметра удара составило около 1 фм для всех областей центральности в РЬ—Рб-соударениях. Было также показано на примере соударений Аг — Аг, что полное моделирование откликов HF-калориметра практически не приводит к ухудшению точности определения центральности взаимодействия.
6. Создана программа быстрого моделирования откликов HF-калориметра на соударения тяжелых ионов, позволяющая сэкономить значительное время и компьютерные ресурсы, затрачиваемые на детальное моделирование откликов установки CMS. Эти отклики могут быть в дальнейшем использованы в качестве фона для различных сигнальных событий.
7. Разработана оригинальная методика мониторирования адронного калориметра по энергетическому распределению в его ячейках, позволяющая находить башни калориметра, в которых уменьшилась эффективность регистрации энергии вследствие радиационных повреждений, и определять дополнительные калибровочные коэффициенты для восстановления энергии. Изучено влияние раскалибровки адронного калориметра на канал распада Хиггс-бозона Н —> тт —> струи . Показано, что изменение абсолютной шкалы измеряемой энергии в адронном калориметре на ± 1% приводит к изменению эффективности отборов для нахождения Хиггс-бозона на ± 3%, в то время как гауссово размытие калибровочных коэффициентов на 10-30% приводит к незначительному (в пределах нескольких процентов) изменению эффективности отборов для нахождения Хиггс-бозона.
В заключение я хочу выразить глубокую признательность научным руководителям профессору Людмиле Ивановне Сарычевой и с.н.с. Игорю Петровичу Лохтину за предложенную задачу и помощь в написании диссертации, с.н.с. Ольге Леонидовне Кодоловой, с.н.с. Александру Николаевичу Никитенко и в.н.с. Александру Михайловичу Снигиреву за научные дискуссии, н.с. Сергею Владимировичу Петрушанко за помощь в освоении компьютерных программ, Наталье Петровне Карпинской за помощь при наборе текста диссертации и всем сотрудникам Лаборатории адронных взаимодействий.
1. J.Damgov, V.Genchev, V.A.Kolosov, I.P.Lokhtin, S.V.Petrushanko, L.I.Sarycheva, C.Yu.Teplov, S.V.Shmatov, P.I.Zarubin "Heavy ion studies with CMS HF calorimeter", Письма в ЭЧАЯ 107: 93-109, 2001 (CMS Note 2001/055).
2. И.Н.Варданян, И.П.Лохтин, Л.И.Сарычева, А.М.Снигирев, К.Ю.Теплов "Модификация функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях ядер и ее определение в канале с рождением лидирующего 7г° ", ЯФ, том 68, №2: с.357-365, 2005.
3. I.P.Lokhtin, L.I.Sarycheva, A.M.Snigirev, K.Yu.Teplov "Medium-modified fragmentation of fo-jets tagged by a leading muon in ultrarelativistic heavy ion collisions", Eur. Phys. J. С 37: 465-469, 2004
4. И.П.Лохтин, А.Н.Никитенко, С.В.Петрушанко, Л.И.Сарычева, К.Ю.Теплов "Особенности регистрации струй в HF-калориметре установки CMS на LHC", Препринт НИИЯФ МГУ 2002-8/692.
5. И.П.Лохтин, Л.И.Сарычева, К.Ю.Теплов "Определение центральности в соударениях тяжелых ионов с помощью передних калориметров установки CMS на LHC", Препринт НИИЯФ МГУ 2004-22/761.
6. K.Teplov et al, "The study of miscalibration of HCAL", 9th Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, NCPHEP, Minsk, Belarus, 28 November 2 December, 2004, pp.396-410
7. И.П.Лохтин, Л.И.Сарычева, А.М.Снигирев, Физика элементарных частиц и атомного ядра 30, вып.З (1999).
8. L.I.Sarycheva, Nucl. Phys. А 681, 229 (2001).
9. Proc. of Pre-Quark Matter'95 Workshop "Physics with the Collider Detectors at RHIC and LHC", edited by T.Hallman and J.Thomas (Monterey, 1995).
10. А.М.Балдин, ЭЧАЯ 8, 429 (1977).
11. E.V.Shuryak, In Proc. of Quark-Matter'90, Nucl. Phys. A 525, 3 (1991).
12. E.Suhonen, Phys. Lett. В 119, 81 (1982).
13. G.Baym, In Proc. of Quark-Matter'95, Nucl. Phys. A 590, 233 (1995).
14. Д.И.Блохинцев, ЖЭТФ 33, 1295 (1957).
15. V.Jones, Nucl. Phys. A 418, 139 (1984).
16. Y.Takahashi, Nucl. Phys. A 478, 675 (1988).
17. T.K.Gaisser, In Proc. of 15th International Cosmic Ray Conference, 267 (Plovdiv, 1977).
18. J.D.Bjorken, L.McLerran, Phys. Rev. D 200, 2353 (1979).
19. Conceptual Design Report of the Relativistic Heavy Ion Collider, Brookhaven National Laboratory Report BNL-52195 (1989).
20. Design study of the Large Hadron Collider, CERN 91-03 (1991).
21. K.Geiger, B.Muller, Nucl. Phys. В 369, 600 (1992).
22. X.-N.Wang, M.Gyulassy, Phys. Rev. D 44, 3501 (1991); Phys. Rev. D 45, 844 (1992).
23. M.Gyulassy, X.-N.Wang, Preprint LBL 34246 (nucl-th/9502021).
24. B.Andersson, G.Gustafson, Pi Hong, Z. Phys. С 57, 485 (1993).
25. K.Werner, Phys. Rep. 232, 87 (1993).
26. Н.С.Амелин, К.К.Гудима, В.Д.Тонеев, ЯФ 51, 1730 (1990).
27. A.Capella, U.Sukhatme, C.I.Tan, Tran Thanh Van J., Phys. Rep. 236, 225 (1994).
28. B.Andersson, G.Gustafson, G.Ingelman, T.Sjostrand, Phys. Rep. 97, 31 (1983).
29. B.Andersson, A.Tai, Z.Phys. С 71, 155 (1996).
30. N.S.Amelin, M.A.Braun, C.Pajares, Phys. Lett. В 306, 312 (1993).
31. С.Merino, C.Pajares, J.Ranft, Phys. Lett. В 276, 168 (1992).
32. K.J.Eskola, X.-N.Wang, Phys. Rev. D 49, 1284 (1994).
33. M.Gyulassy, D.H.Rischke, B.Zhang, Preprint CU-TP-757 (1996).
34. Л.Д.Ландау, Изв. АН СССР, Сер. физ. 179, 51 (1953).
35. D.Bjorken, Phys. Rev. D 27, 140 (1983).
36. И.П.Лохтин, А.М.Снигирев, В.В.Хрущев, ЯФ 60, 125 (1997).
37. I.P.Lokhtin, A.M.Snigirev, Phys. Lett. В 378, 247 (1996).
38. Yu.M.Sinyukov, V.A.Averchenkov, B.Lorstad, Z.Phys. С 49, 417 (1991).
39. A.Leonidov, M.Nardi, H.Satz, Z.Phys. С 74, 535 (1997).
40. Y.Akiba et al (E802 Coll.), In Proc. of Quark-Matter'96, Nucl. Phys.A 610, 139 (1996).
41. S.Ahmad et al (E891 Coll.), Phys. Lett. В 382, 35 (1996).
42. J.Bachler et al. (NA35 Coll.), Phys. Rev. Lett. 72, 1419 (1994).
43. R.Albrecht et al. (WA80 Coll.), Phys. Lett. В 202, 596 (1988); Z.Phys. С 55, 539 (1992).
44. T.Akesson et al. (HELIOS Coll.), Nucl. Phys. В 342, 279 (1990).
45. J.Stachel et al., In Proc. of Quark-Matter'96, Nucl. Phys. A 610, 509 (1996).
46. F.Videbaek et al (E802 Coll.), In Proc. of Quark-Matter'96, Nucl. Phys. A 590, 249 (1996).
47. S.Muroya, H.Nakamura, M.Namiki, Progr. Theor. Phys. Suppl. 120, 209 (1995).
48. U.Ornik et al, Phys. Lett. В 376, 212 (1996).
