CC BY
15
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
УДК 539.125.17; 539.126.17
А.Я. Бердников, Д.А. Иванищев, Д.О. Котов, В.Г. Рябов,
Ю.Г. Рябов, В.М. Самсонов
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИЗНАКОВ ОБРАЗОВАНИЯ КВАРК-ГЛЮОННОЙ ПЛАЗМЫ В СТОЛКНОВЕНИЯХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ПРИ ЭНЕРГИИ 62,4 ГэВ
Взаимодействия тяжелых релятивистских ионов являются одним из методов получения сверхплотного ядерного вещества в лабораторных условиях. Кинетическая энергия налетающих частиц рассеивается в большом объеме ядерного вещества, вовлеченного в реакцию, и взаимодействующая система переходит из состояния нуклонов, содержащих связанные кварки и глюоны, в состояние свободных кварков и глюонов, которое называют кварк-глюонной плазмой (КГП) [1]. Одна из основных задач — это поиск признаков, которые были бы присущи только кварк-глюонной плазме, чтобы это новое состояние вещества можно было выделить из «обычной физики» релятивистских соударений.
Особое положение среди наблюдаемых признаков образования КГП занимают дилепто-ны — коррелированные пары разнозаряженных лептонов (электронов и мюонов). Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях. Длина их свободного пробега в ядерном веществе значительно превышает характерные размеры системы, формируемой в столкновениях тяжелых ядер и, как следствие, их кинематические характеристики не искажаются окружающей средой.
Лептонные пары, рожденные на стадии КГП, образуются в результате аннигиляции кварков и антикварков, поэтому они чувствительны к тепловому распределению кварков и антикварков в плазме [2]. Анализ выхода леп-тонных пар несет ценную информацию о при-
знаках восстановления киральной симметрии и осуществляется через измерение модификаций масс, ширин, вероятностей рождения легких р-, ю-, и ф-мезонов (так называемая область дилептонов малых масс) [2]. Свойства КГП в столкновениях релятивистских тяжелых ядер также изучаются в области дилептонов средних и больших масс путем измерения выходов //у-и У-мезонов, подавление которых считается одним из признаков образования КГП [3].
Первые экспериментальные данные по рождению дилептонных пар были получены в конце 1980-х гг. на установке DLS (Dilepton Spectrometer, Беркли, США) [4]. Данные, представленные коллаборацией DLS, указывали на значительное превышение выхода дилептонов малых масс по сравнению с ожидаемым выходом пар от Далиц-распадов я0- и ^ -мезонов. Эти результаты послужили мотивацией для изучения дилептонного спектра при более высоких энергиях взаимодействия ядер. В 2000 году результаты, полученные коллаборацией CERES (ЦЕРН, Швейцария), подтвердили наличие избытка выхода дилептонов малых масс во взаимодействиях тяжелых ядер [5]. В то же время дилептонный спектр, который был измерен спектрометром CERES в протон-ядерных столкновениях, согласуется с ожидаемым от адронных распадов. Данное наблюдение позволило сделать вывод о том, что наблюдаемый избыток представляет собой явление, присущее только ядро-ядерным столкновениям.
t
Ядерная физика
ФЕНИКС [6] является единственным экспериментом на коллайдере RHIC [7], который может проводить высокоточные измерения выходов дилептонных пар. В 2007 году избыточный выход дилептонных пар был обнаружен во взаимодействиях ядер золота при энергии 200 ГэВ [2]. Но в первоначальной конфигурации спектрометра ФЕНИКС возможности по измерению выходов лептонных пар были ограничены из-за значительного вклада фонового излучения от конверсий гамма-квантов и Далиц-распадов я°-мезонов. Достаточно упомянуть, что отношение сигнала к фону в первом измерении ди-электронного спектра во взаимодействиях ядер золота при энергии 200 ГэВ составляло 1/200 в области дилептонов малых масс. С целью расширить возможности по измерению выходов дилептонных пар, в 2010 году в экспериментальную установку ФЕНИКС была интегрирована дополнительная детекторная подсистема нового поколения - HBD (Hadron Blind Detector) [8, 9], основной задачей которой является отсев электронов, возникших в результате конверсий фотонов и Далиц-распадов, основываясь на величине угла раскрытия пары лептонов.
В настоящей статье представлен диэлек-тронный спектр, полученный во взаимодействиях ядер золота при энергии 62,4 ГэВ в эксперименте ФЕНИКС на коллайдере RHIC. Для повышения точности и статистической значимости измерений в работе использовались данные, накопленные детекторной системой нового поколения HBD в течение физического цикла 2010 года.
Детектор HBD на установке ФЕНИКС
Установка ФЕНИКС детально описана в статье [6]. Для улучшения измерений, связанных с регистрацией электронов, в спектрометр ФЕНИКС был интегрирован новый детектор — HBD (Hadron Blind Detector) [8, 9], который предназначен для существенного уменьшения комбинаторного фона [10]. Этот детектор расположен вне области действия магнитного поля и регистрирует электроны/позитроны на своем внешнем диаметре. Тем самым появляется возможность отбрасывать электрон-позитронные пары, имеющие небольшой угол разлета, как наиболее вероятные кандидаты в примеси от конверсии и Далиц-распадов. Считается, что наличие данного детектора позволит улучшить в несколько раз соотношение сигнал/фон для диэлектронных измерений в столкновениях ядер золота.
HBD представляет собой детектор черен-ковского света, в котором в качестве радиатора и рабочего газа используется тетрафторид углерода. Детектор состоит из двух полуцилиндрических объемов, заполненных газом (рис. 1, а), каждый из которых охватывает сектор в 135 по азимутальному углу и 45 ед. по псевдобыстроте. В конструкции детектора не предусмотрено окон или зеркал, и черенковский свет создает изображение прямо на фотокатоде (вдоль траектории движения частицы). Последний представляет собой трехслойный газовый электронный умножитель GEM [9]. На его верхний слой методом напыления нанесен слой иодида цезия. Три слоя GEM-детекторов
а)
б)
______N.
Рис. 1. Конструкция (а) и принцип работы (б) детектора HBD: 1 — угол раскрытия электрон-позитронной пары; 2 — сетка; 3 — слой CsI (350 нм); 4 — GEM; 5 — пады; 6 — фотоэлектрон; 7 — вектор напряженности электрического поля
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
(4) обеспечивают газовое усиление, а считывание сигналов производится с гексагональных падов (5) площадью 6,2 см2. Детектор состоит из 20 однотипных модулей.
Адроны с импульсом, меньшим 10 ГэВ/с, не излучают черенковского света, проходя через активный объем детектора. Электроны ионизации, возникающие при прохождении адронов, дрейфуют в сторону, противоположную катоду. Для этого в активном объеме детектора создается соответствующее распределение электрического поля с помощью специальной сетки (2) (рис. 1, б). Поэтому детектор практически «не видит» адронов, что и получило отражение в его названии (blind — слепой).
Результаты
На рис. 2 представлен спектр инвариантной массы электрон-позитронных пар (за вычетом комбинаторного фона), измеренный с помощью данных детектора HBD. Форма указанного фона была оценена методом смешивания событий [10], а качество его воспроизведения определялось путем сравнения спектров инвариантной массы, измеренных для пар «++» и
«--» в реальных и смешанных событиях. Как
можно видеть из рис. 2, в спектре инвариантной массы электрон-позитронных пар пока не удается выделить пики, соответствующие распаду ю-, р- и ф-мезонов. В области масс ~ 3,1 ГэВ/с2 виден широкий пик, соответствующий распадам //^-мезонов.
т(е+е~)< ГэВ/с2
Рис. 2. Спектр инвариантной массы электрон-позитронных пар, измеренный с помощью данных детектора HBD эксперимента ФЕНИКС во взаимодействиях ядер золота при энергии 62,4 ГэВ.
Вертикальные отрезки соответствуют статистическим ошибкам измерений
Рис. 3. Оцененные вклады в «коктейль» электрон-позитронных пар: сумма всех вкладов (1), вклад от электронов конверсии (2), лептонные распады
мезонов п° (3), ц (4), ю (5), л' (б), ф (7), р (8)
Для поиска различных сигналов, связанных с возникновением коллективных ядерных эффектов, необходимо из полученного спектра инвариантной массы электрон-по-зитронных пар вычесть вклады от известных источников. Теоретически рассчитанный спектр инвариантной массы диэлектронных пар от известных источников называется коктейлем.
К настоящему моменту была проведена оценка вкладов в коктейль от распада легких мезонов и конверсии фотонов (рис. 3). Для корректного построения коктейля необходимо также учесть вклады от некоторых других источников (таких например, как вклад от каонных распадов, от конверсии прямых фотонов или фотонов, родившихся в столкновениях ядер золота, и т. п.), которые находятся в процессе оценки.
В настоящей статье представлен дилептон-ный спектр, измеренный во взаимодействиях ядер золота при энергии = 62,4 ГэВ в
эксперименте ФЕНИКС с помощью детекторной системы нового поколения HBD.
Точность измерения континуума в области масс, меньших массы ю-, р- мезонов, по-видимому, достаточна для изучения эффекта избыточного выхода мягких пар в области малых масс. Однозначный ответ будет полу-
4
Ядерная физика
чен только после окончания расчета коктейля электрон-позитронных пар и его вычитания из измеренного спектра. Существенное улучшение точности измерений ожидается в результате имплементации дополнительного отбора
электрон-позитронных пар с использованием данных детектора HBD.
Работа поддержана в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 гг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adcox, K. Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC: Experimental evaluation by the PHENIX collaboration [Text] / K. Adcox, V. Riabov, Y. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Nucl. Phys. A. - 2005. - Vol. 757. - P. 184-283.
2. Adare, A. Detailed measurement of the e+e- pair continuum in p+p and Au+Au collisions at 200 GeV and implications for direct photon production [Text] / A. Adare, V. Riabov, Y. Riabov, Y. Berdnikov // Phys. Rev. C. - 2010. - Vol. 81. - P. 034911-034967.
3. Matsui, T. J/Psi suppression by quark-gluon plasma formation [Text] /T. Matsui, H. Satz // Phys. Lett. B. -1986. - Vol. 178. - P. 416-422.
4. Porter, R. Dielectron cross section measurements in nucleus nucleus reactions at 1.0-A-GeV [Text] / R. Porter, J. Caroll, P. Kirk [et al.] //Phys. Rev. Lett. - 1997. -Vol. 79. - P. 1229-1232.
5. Agakichiev, G. Systematic study of low-mass electron pair production in p-Be and p-Au collisions at 450
GeV [Text] / G. Agakichiev, M. Appenheimer // Eur. Phys. J. C.—1998.—V01. 4. - P. 231-247.
6. Adcox, K. PHENIX detector overview [Text] / K. Adcox, V. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A.-2003.-Vol. 499. - P. 469-479.
7. Baym, G. RHIC: From dreams to beams in two decades [Text] / G. Baym // Nucl. Phys. A. - 2002. - Vol. 698. - P. 23-32.
8. Makek, M. Measurements of low mass e+e- pairs in p+p and Au+Au collisions with the HBD upgrade of the PHENIX detector [Text] / M. Makek // Nuclear Physics A. -2011. -Vol. 855. -P. 265-268.
9. Kozlov, A. Development of a triple GEM UV-photon detector operated in pure CF4 for the PHENIX experiment [Text] / A. Kozlov, I. Tserruya, I. Ravinovich, [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A.- 2004.-Vol. 523. - P. 345-354.
10. Kopylov, G.I. Like particle correlations as a tool to study the multiple production mechanism [Text] / G.I. Kopylov // Phys. Lett. B.-1974.-Vol. 50. - P. 472-474.
УДК 539.128.2, 539.171.016
ВЫЧИСЛЕНИЕ МАТРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТОКА ДЕЙТРОНА В ПЕРЕМЕННЫХ СВЕТОВОГО КОНУСА
Ф.Ф. Павлов
Одним из наиболее важных вопросов современной физики элементарных частиц и атомного ядра является развитие методов релятивистского описания дейтрона как составной системы. Наиболее актуальным вопросом является изучение релятивистских явлений в электромагнитной структуре дейтрона и построение оператора электромагнитного тока релятивистского дейтрона, удовлетворяющего
условию Лоренц-инвариантности и дискретным симметриям Р и Т. Для изучения данных явлений обычно проводятся эксперименты по упругому электрон-дейтронному рассеянию при больших переданных импульсах. Как известно, электромагнитные форм-факторы дейтрона (зарядовый, квадрупольный и магнитный) выражаются через матричные элементы электромагнитного тока дейтрона. Зная форм-
