CC BY
16
А_
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
УДК 539.125.17; 539.126.17
Я.А. Бердников, Д.А. Иванищев, Д.О. Котов, В.Г. Рябов,
Ю.Г. Рябов, В.М. Самсонов
ИЗМЕРЕНИЕ СВОЙСТВ ЛЕГКИХ АДРОНОВ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ЯДЕР ЗОЛОТА ПРИ ЭНЕРГИЯХ 39,0 И 62,4 ГэВ
Согласно представлениям стандартной модели и квантовой хромодинамики (КХД), материя состоит из партонов: кварков и глю-онов. Кварки представляют собой элементарные «блоки» материи, в то время как глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия между ними. Кварки и глюоны формируют адроны и находятся в состоянии конфайнмента (не наблюдаются в свободном состоянии). Согласно современным представлениям об эволюции Вселенной, материя, образовавшаяся непосредственно после Большого взрыва, состояла из кварков, глюонов, фотонов и лептонов; при этом кварки и глюоны существовали в свободном несвязанном состоянии.
Столкновения ионов при высоких энергиях сопровождаются фазовым переходом, в результате которого кварки и глюоны могут на короткое время считаться свободными частицами, а это позволяет изучать свойства материи в первичном состоянии [1]. Если достаточно нагреть и сжать ядерную материю, то нейтроны и протоны в ядрах начнут перекрываться вследствие своих конечных размеров. При достижении таких условий кварки уже нельзя приписать к какому-либо конкретному нуклону, и их можно рассматривать как свободные частицы. При таких условиях систему можно анализировать как газ квазисвободных кварков и глюонов. Данное состояние вещества было названо кварк-глюонной плазмой (КГП) в связи с некоторыми аналогиями с обычной плазмой [1].
Бурное развитие ускорительной техники позволило начать изучение взаимодействий тяжелых ионов при высоких энергиях. Отдельного внимания в этом контексте заслуживает ускоритель RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), Брукхэйвен, США [2]. Уже первые эксперименты на коллайдере RHIC показали, что плотность энергии, достигаемая в столкновениях тяжелых ядер при его максимальной энергии sNN = 200 Гэвпревышает значение,
необходимое для фазового перехода [1]. Физические результаты, полученные к 2005 году, позволили всем коллаборациям на RHIC сделать заявление об обнаружении кварк-глюонной плазмы. Одним из признаков образования КГП на RHIC стало обнаружение сильного подавления выхода адронов в центральных столкновениях тяжелых ядер. Данный эффект получил название эффекта гашения струй и впервые был обнаружен в центральных столкновениях ядер золота (Au + Au) при энергии фш = 130 ГэВ [3].
Мотивацией для изучения КГП при энергиях порядка 20—100 ГэВ является более детальное изучение фазовой диаграммы состояния КХД материи и поиск критической точки перехода к деконфайнменту. Измерения при данных энергиях также необходимы для того, чтобы изучить энергетическую зависимость эффекта гашения струй.
Одно из первых систематических исследований по данной тематике было сделано
+
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 2' 2012
на ускорителе AGS (Alternating Gradient Synchrotron) в Брукхэйвене, затем эстафету принял ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron) в ЦЕРНе. В наши дни наиболее интересные данные поступают с ускорителя RHIC. К настоящему времени ускорителем RHIC накоплены объемы данных по столкновениям пучков ядер золота при энергиях 19,6; 27,0; 39,0 и 62,4 ГэВ.
В настоящей статье представлены инвариантные спектры рождения по поперечному импульсу и факторы ядерной модификации для п0- и ф-мезонов, полученные во взаимодействиях ядер золота при энергиях фш = 39,0 и 62,4 ГэВ на основе данных эксперимента ФЕНИКС [4] на коллайдере RHIC.
Эксперимент ФЕНИКС на коллайдере RHIC
Установка ФЕНИКС [4] представляет собой сложный экспериментальный комплекс, предназначенный для детектирования и идентификации заряженных и нейтральных частиц, а также для измерения их импульсов и энергий.
Координаты точки взаимодействия ядер и центральность столкновений определяются путем анализа сигналов с пучковых счетчиков [5]. Каждый такой сигнал пропорционален множественности родившихся заряженных частиц.
Приводим объемы экспериментальных данных, полученные экспериментом ФЕНИКС во взаимодействия ядер золота при энергиях 39,0 и 62,4 ГэВ:
Энергия фш , ГэВ Число событий, млн.
39,0 ...................... 350
62,4...................... 700
Для измерения характеристик заряженных частиц в указанном эксперименте реализована трековая система, основными элементами которой являются дрейфовые и падовые камеры. Времяпролетная система эксперимента используется для идентификации заряженных частиц и представляет собой комплекс из органических сцинтилляционных детекторов. Надежное разделение K- и п-мезонов обеспечивается благодаря высокому временному разрешению системы [6].
Измерение выходов нейтральных пионов производится в канале п0 ^ уу при помощи электромагнитного калориметра [7] спектрометра ФЕНИКС. Электромагнитный калориметр состоит из восьми секторов (шесть «PbSc» и
два сектора «PbGl») и покрывает 0,35 единиц по псевдобыстроте и 22,5° по азимутальному углу. Сегментация калориметра имеет размеры ~ 5,5 х 5,5 см, что позволяет надежно разделять два фотона от распада п0-мезона вплоть до значений поперечных импульсов р{ 12 - 16 ГэВ/с.
Для восстановления ф-мезонов в адронном канале распада ф ^ К+ К все треки, восстановленные в пределах одного события, комбинируются в пары, и каждому присваивается масса заряженного К-мезона. Идентификация каонов позволяет улучшить отношение сигнала к фону, но при этом объем доступных данных уменьшается в пять раз, что связано с малым аксептансом времяпролетной системы. В связи с этим использование идентифицированных каонов рационально проводить только в условиях высокого уровня комбинаторного фона (при величине отношения сигнал/фон меньшей 1/200) [8, 9], который присутствует в области малых поперечных импульсов (р < 2,0 ГэВ/с).
Результаты измерений
На рис. 1 представлены инвариантные спектры рождения по поперечному импульсу, измеренные в столкновениях ядер золота для л°-мезонов при энергиях 39,0 и 62,4 ГэВ; ф-мезонов — при энергии 62,4 ГэВ.
Партоны, рожденные в жестком взаимодействии, перед фрагментацией проходят через слой плотной, горячей, сильно воздействующей среды и при этом теряют часть своей энергии на испускание глюонов. Именно этот эффект и приводит к общему уменьшению числа частиц, образующихся с большими поперечными импульсами.
Количественное описание этого эффекта удобно провести, исследуя фактор ядерной модификации RAA, который определяется как отношение числа рожденных частиц в случае столкновения ионов, к числу частиц такого же сорта в случае протон-протонных столкновений. Выражение для RAA также необходимо разделить на число парных неупругих бинарных столкновений при данной центральности столкновения:
R
AA
(Рт ) = dNAA ( ( Nстолкн ) dNpp )'
где dNAA (dNpp) — выход частиц в столкновениях А + А (р + р) в заданном интервале по
I
Ядерная физика
а)
б)
О
Ри ГэВ /с
О
6 ГэВ/с
Рис. 1. Инвариантные спектры рождения п0-мезонов в столкновениях ядер золота при энергии 39,0 ГэВ (а) и п0-мезонов и ф-мезонов в столкновениях ядер золота при энергии 62,4 ГэВ (б). Затушеванные маркеры соответствуют п0-мезонам, пустые — ф-мезонам. Классы событий по центральности и масштабирующие множители: (0- 85%)-10° (1), (0 — 10%)^10-1 (2), (10 — 20%)^10-2 (3), (20 — 40%)^10-3
(4), (40 - 60%) 10-4 (5), (60 - 85%)-10-5 (6), (0 - 83,7%)-10-7 (7), (0 - 20%)х10-8 (8), (20 - 40%)-10-9 (9), (40 - 83,7%)-10-10 (10)
Рис. 2. Зависимости факторов ядерной модификации от поперечного импульса п0-(а) и ф-мезонов (б), измеренные в центральных столкновениях ядер золота при энергиях 39,0 (1),
62,4 (2) и 200 ГэВ (3)
поперечному импульсу; (^столкн) - число парных неупругих нуклон-нуклонных столкновений в (А + А)-взаимодействии.
При этом число парных неупругих бинарных столкновений (^столкн) определяется при помощи методов Монте-Карло с использованием модели Глаубера, учитывающей геометрию сталкивающихся ядер. Эта величина возрастает с увеличением центральности столкновений.
Нормировка на число парных неупругих бинарных столкновений применяется на основе предположения, что частицы рождаются в элементарных партон-партонных взаимодействиях, описываемых пертурбативной КХД.
В условиях отсутствия коллективных эффектов (А + А)-взаимодействия в области больших поперечных импульсов (pt > 5,0 ГэВ/с) являются суперпозицией (р + р)-столкновений
^^аучно-технические^ведомости^СПбГПУ.^
-1 : 10 u_i_i_i........i_._:_.........i_i_i_
102 103 (Ny4-ECTO!1KH)/2, ГэВ
Рис. 3. Зависимости интегральных факторов ядерной модификации п0-мезонов от общей энергии взаимодействия системы. Представлены результаты экспериментов по столкновению ядер меди (1 — 3) и ядер золота (4 — 6) при значениях энергии, ГэВ: 22,4 (1); 39,0 (4); 62,4 (2, 5); 200 (3, 6).
Область интегрирования поперечных импульсов 2,5 — 3,5 ГэВ/с. Вертикальная пунктирная линия — максимальная энергия, достигаемая при столкновениях ядер свинца
на синхротроне SPS в ЦЕРНе
(Raa ~ 1)- В противном случае факторы ядерной модификации могут принимать значения, отличные от единицы, что указывает на подавление или избыток выхода частиц по отношению к (p + р)-взаимодействиям.
На рис. 2 представлены факторы ядерной модификации, измеренные в центральных столкновениях ядер золота для п0-, ф-мезонов при энергиях 39,0; 62,4 и 200 ГэВ.
На рис. 3 представлена зависимость интегральных факторов ядерной модификации п0-мезонов от общей энергии взаимодействующей системы, которая определяется числом взаимодействующих нуклонов и энергией взаимодействия ядер. Следует отметить, что в пределах погрешности экспериментальные точки ложатся на одну универсальную зависимость. На рисунке вертикальной пунктирной чертой показана максимальная энергия, достижимая в столкновениях ядер свинца на синхротроне SPS в ЦЕРНе [10]. Данный рисунок может служить качественным объяснением, почему подавление выходов частиц не было обнаружено в ЦЕРНе и впервые было открыто на кол-лайдере RHIC. Необходимо, однако, отметить, что степень согласия между точками зависит от выбранного диапазона интегрирования факторов ядерной модификации по поперечному импульсу.
Итак, в настоящей статье представлены результаты измерений инвариантных инклюзивных спектров рождения по поперечному импульсу и факторов ядерной модификации для п0 и ф-мезонов, полученные во взаимодействиях ядер золота при энергиях = 39,0 и 62,4 ГэВ в эксперименте ФЕНИКС.
Инвариантные инклюзивные спектры рождения и факторы ядерной модификации п0- и ф-мезонов измерены с высокой точностью в широком диапазоне по поперечному импульсу р1 от 1,0 до 8,0 ГэВ/с. В центральных столкновениях ядер золота при энергиях 39,0; 62,4 и 200 ГэВ/с выход п0-мезонов в области больших поперечных импульсов подавлен одинаково, в то время как в области промежуточных поперечных импульсов степень подавления выхода п0-мезонов снижается по мере уменьшения энергии взаимодействия ядер. По-видимому, эффект гашения струй для п0-мезонов (подавление выходов частиц) начинает превалировать над эффектом Кронина (избыток выхода частиц) в области энергий взаимодействия ядер между 22,4 и 39,0 ГэВ. Выход ф-мезонов обнаруживает подавление только лишь в центральных столкновениях ядер золота при энергии 200 ГэВ. При энергии столкновения ядер 62,4 ГэВ рождение ф-мезонов в столкновениях ядер золота описывается суперпозицией нуклон-ну-клонных столкновений.
t
Ядерная физика
В статье также предпринята попытка систематизировать большой объем экспериментальных данных по факторам ядерной модификации, полученных экспериментом ФЕНИКС для п0-мезонов, которая позволила на качественном уровне объяснить отсутствие подавления
выходов частиц в ядро-ядерных взаимодействиях на синхротроне SPS в ЦЕРНе [10].
Работа поддержана в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы.
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. Baym, G. RHIC: From dreams to beams in two decades [Text] / G. Baym // Nucl. Phys. A. - 2002. -Vol. 698. - P. 23-32.
3. Adcox, K. Suppression of hadrons with large transverse momentum in central Au + Au collisions at
= 130 GeV [Text] / K. Adcox, V. Riabov, Y. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2001. - Vol. 88. -P. 022301 - 022307.
4. Adcox, K. PHENIX detector overview [Text] / K. Adcox, V. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2003. -Vol. 499. - P. 469-479.
5. Allen M. PHENIX inner detectors [Text] / M. Allen, M. Bennett, M. Bobrek [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2003. - Vol. 499. - P. 549-559.
6. Aizawa, M. PHENIX central arm particle I.D. detectors [Text] / M. Aizawa, Y. Akiba, R. Begay [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2003. - Vol. 499. -P. 508-520.
7. Aphecetche, L. The PHENIX calorimeter [Text] / L. Aphecetche, T. Awes, V. Kochetkov [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2003. - Vol. 499. -P. 521-536.
8. L'Hote, D. About resonance signal extraction from multiparticle data: combinatorics and event mixing methods [Text] / D. L'Hote // Nucl. Instr. Meth. - 1994. -Vol. 337. - P. 544-556.
9. 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.
10. Stock, R. Quark matter 99 summary: hadronic signals [Text] / R. Stock // Nucl. Phys. A. - 1999. -Vol. 661. - P. 282-299.
