Оглавление
Введение 3
1 Двухфотонные процессы в релятивистских столкновениях тяжелых ионов 13
1.1 Спектр эквивалентных фотонов и двухфотонная светимость..... 13
1.2 Физические процессы в 77-процессах в столкновениях тяжелых ионов . 19
1.2.1 Фотон при высоких энергиях...................................... 19
1.2.2 Полное 77 сечение............................................... 20
1.2.3 Образование пар заряженных фермионов ........................... 21
1.2.4 Образование пар W+IV“ , ._____t................................. 24
•# - ,« , • , .
1.2.5 Образование мезонных резонансов............................ 25
1.2.6 Образование экзотических мезонов........................... 30
1.2.7 Образование суперсимметричных частиц....................... 31
1.3 Генератор двухфотонных событий в столкновении тяжелых ионов TPHIC 33
1.4 Методы экспериментального изучения периферических столкновений
на ускорителях тяжелых ионов.......................................... 35
1.4.1 Отличительные характеристики двухфотонных процессов в столкновении тяжелых ионов............................................. 36
1.4.2 Фоновые процессы........................................... 38
1.4.3 Триггер на двухфотонные процессы........................... 41
1.4.4 Триггер на периферические процессы в эксперименте ALICE . . 42
1.5 Выводы.................................................................. 48
2 Модель образования Центавр-событий в столкновениях тяжелых ионов 50
1
2.1 Наблюдение Центавр-событий в экспериментах с космическими лучами 50
2.2 Модель образования Центавр-событий в космических лучах.............52
2.3 Расширение модели образования Центавр-событий до энергий ускорителей тяжелых ионов.....................................................57
2.3.1 Эволюция Центавр-файербола..................................59
2.3.2 Барионное число Центавр-файербола...........................59
2.3.3 Масса Центавр-файербола.....................................60
2.3.4 Кинематика файербола........................................62
2.3.5 Сохранение энергии в Центавр-событиях.......................64
2.3.6 Файербол странной кварковой модели ........................ 65
2.3.7 Распад СКМ-файербола........................................67
2.3.8 Общие характеристики Центавр-событий....................... 67
2.4 Регистрация Центавр-событий на ускорителе LHC..................... 70
2.5 Выводы............................................................ 76
3 Создание и испытание прототипа детектора заряженных частиц для спектрометра PHOS эксперимента ALICE 77
3.1 Электромагнитный калориметр PHOS...................................78
3.2 Конструкция детектора..............................................80
3.3 Испытание детектора на пучке...................................... 82
3.4 Анализ экспериментальных данных....................................83
3.4.1 Кластеры и амплитуды........................................83
3.4.2 Зарядовая кумулятивная функция..............................84
3.4.3 Координатное разрешение детектора...........................86
3.5 Выводы............................................................ 88
Заключение 90
2
Введение
В связи с запуском ускорителя тяжелых ионов RHIC в БЫЛ и строительством большого адронного коллайдера LHC в ЦЕРН изучение физики тяжелых ионов при высоких энергиях вступило в новую фазу. До сих пор изучение взаимодействий тяжелых ядер при сверхвысоких энергиях было доступно в экспериментах по регистрации космических лучей. С появлением возможности столкновения тяжелых ядер в лабораторных условиях исследования приобретают более систематический характер. Основной целью изучение этих столкновений является поиск нового состояния адронной материи — кварк-глюонной плазмы, образование которого ожидается при высоких плотностях энергии и высокой температуре.
Столкновения релятивистских тяжелых ионов играет также важную роль в изучении других физических процессов. В данной диссертации рассматриваются два класса взаимодействий тяжелых ионов, не связанных с поисками кварк-глюонной плазмы.
Одним классом таких физических процессов являются ультра-пернферические столкновения тяжелых ионов. При взаимодействиях ионов с прицельным параметром, больше суммы радиусов ядер, все нуклоны могут ядер взаимодействуют когерентно, при этом электромагнитное поле вокруг ядер достаточно сильно, так как его напряженность пропорциональна квадрату заряда ядра Z, а, следовательно, сечение электромагнитного взаимодействия одинаковых ядер с зарядом Z пропорционально где ol — постоянная тонкой структуры. При достаточно большой величине заряда иона Z, сечение ультра-периферических электромагнитных процессов может стать сравнимым с сечением сильного взаимодействия. Согласно Э.Ферми [1] это электромагнитное поле вокруг ядра, действующее в течение короткого промежутка времени, может быть заменено полем излучения с соответствующим распределением частот (рис. 1). Спектр этого излучения может быть вычислен из кинематики про-
3
Ь>К1+Й:
Рис. 1: Быстро движущееся ядро с зарядом окружено сильным электромагнитным полем, которое может быть представлено как облако виртуальных фотонов, называемых “эквивалентными” фотонами. Столкновение двух ионов приводит также к столкновению фотонов.
цесса в рамках так называемого метода эквивалентных фотонов, известного также как метод Вайцзекера-Вильямса.
Условие когерентности накладывает ограничение на виртуальность фотона С?2:
где Я — радиус ядра с атомным номером Л, приблизительно равный Я = 1.2А1^ фм. Это ограничение обусловлено быстрым падением электромагнитного форм-фактора с ростом д2. Например, для ядра свинца с А = 207 виртуальность фотона определяется 0? < (30 МэВ/с)2. Для многих приложений излучаемые фотоны могут рассматриваться как реальные (квазиреальные). Кинематика процесса в выбранной системе отсчета, где ядро движется со скоростью и, определяет квадрат переданного импульса
<32 = ^ + Й.
где о; и <71. — энергия и поперечный импульс виртуального фотона, а 7 = 1/\/1 — ц2 — Лоренц-фактор ядра. Таким образом, условие когерентности (1) дает ограничение на энергию квазиреального фотона
а2 < I//?2,
(1)
и < си.
'шах
(2)
4
и на его поперечный импульс
9х < (3)
При энергиях ускорителя RHIC спектр излучаемых ядром фотонов ограничен примерно 3 ГэВ, а при энергиях LHC — около 100 ГэВ. Благодаря малой степени виртуальности, высокой интенсивности и широкому энергетическому диапазону, поток эквивалентных фотонов в релятивистских столкновениях тяжелых ионов имеет множество приложений в физических исследованиях.
Другим классом физических явлений в столкновениях тяжелых ионов при высоких энергиях, не связанных напрямую с поисками кварк-глюонной плазмы, является образование экзотических объектов, наблюдаемых до сих пор только в космических лучах, а именно событий типа Центавр, а также глубокопроникающих адронных объектов, называемых стренджлетами. Эти события характеризуются низкой множественностью, практически полным отсутствием (или сильным подавлением) электромагнитной компоненты и чрезвычайно высоким средним поперечным импульсом частиц. Кроме того, многие богатые адронами события в космических лучах содержат долгоживущую компоненту с высокой степенью проникновения сквозь вещество.
Для объяснения природы Центавр-событий было выдвинуто несколько моделей. Среди них выделяется модель [2-4], рассматривающая эти события как продукт адронизации кварковой материи в условиях деконфайнмента. В рамках этой модели и дисбаланс между адронной и электромагнитной составляющими, и глубоко-проникаюшие объекты, рассматриваемые как стренджлеты, имеют естественное объяснение. Модель основана на обобщении кинематических наблюдаемых Центавр-событий в космических лучах, а именно поперечного импульса вторичных частиц и соотношения энергий различных составляющих. Модель предполагает, что Центавр-события образуются в столкновениях тяжелых ядер, приводящих к образованию кварковой материи в условиях деконфайнмента, термодинамические параметры, кинематика и время жизни которой оцениваются из наблюдаемых величин. Экстраполяция этой феноменологической модели на более высокие энергии позволяет предсказать наблюдаемые Центавр-событий в условиях коллайдеров тяжелых ионов.
5
Актуальность изучаемых задач
Процессы двухфотонных взаимодействий имеют долгую историю как с тонки зрения теоретической физики, так и в экспериментальных исследованиях. Интерес к двухфотонным процессам определяется тем, что при взаимодействии фотонов могут происходить процессы образования частиц, которые не могут рождаться непосредственно в столкновении элементарных частиц-фермионов (электронов и кварков), в виду различных квантовых чисел фотонов и фермионов. Поэтому данные, полученные при изучении столкновений фотонов и фермионов, дополняют друг друга. До запуска ускорителя RHIC двухфотонные процессы изучались только в столкновениях электронов и позитронов, где движущиеся относительно друг друга электроны И позитроны образуют поле виртуальных фотонов различных энергий, взаимодействия которых дают двухфотонные процессы. Экспериментально взаимодействия фотонов при более высоких энергиях предлагают изучать на специализированных двухфотонных коллайдерах, в которых фотонные пучки образуются в результате Комптонов-ского рассеяние лазерного света на высокоэнергичных электронах. Релятивистские столкновения ионов с большим электрическим зарядом также могут служить источником почти реальных фотонов, изучение которых имеет свои преимущества по сравнению с двухфотоннымп процессами в е~е“-столкновениях и на будущих фотонных коллайдерах. По сравнению с е+е“-столкновениями потоки фотонов, образующиеся в столкновениях тяжелых ионов, на порядки выше, так же как и выше диапазон достижимых энергий 77-взаимодействий. Столкновения же фотонов на специализированных коллайдерах является до сих пор делом будущего. Диапазон энергий, доступных в 77-процессах в столкновении тяжелых ионов может достигать нескольких сотен ГэВ на ускорителе LHC, что делает доступными для изучения процессы образования от легких мезонных резонансов до суперсимметричных частиц. Расчеты двухфотонных функций светимости и сечений различных процессов в двухфотонных взаимодействиях в столкновениях тяжелых ионов, проведенные с помощью программы TPHIC (сокращение от Two-Photons at Heavy Ion Collisions), весьма актуальны для формирования физической программы на ускорителях тяжелых ионов RHIC и LHC, так как определяют физический потенциал экспериментов на этих ускорителях по изучению двухфотонных взаимодействий.
Другой класс явлений в столкновениях тяжелых ионов при сверхвысоких энер-
6
гиях, а именно образование событий типа Центавр и стренджлетов, также представляет большой интерес как предмет экспериментального изучения. Для описания процессов образования Центавр-событий и стренджлетов мы построили первую количественную феноменологическую модель, обобщающую экспериментальные факты, наблюденные в космических лучах, и дающую последовательное термодинамическое и кинематическое описание этих событий. Модель позволяет определить основные характеристики Центавр-событий при энергиях ускорителей релятивистских тяжелых ионов. На основе этой модели был написан генератор Центавр-событий, что позволило провести моделирование образования Центавр-событий в столкновениях ядер свинца при энергиях ускорителя LHC и сделать оценки возможности экспериментального наблюдения Центавр-событий и стренджлетов с помощью специализированного детектора. Проведенные нами расчеты легли в основу создания детектора CASTOR, являющегося частью экспериментальной установки ALICE на ускорителе LHC.
В данной работе также описано создание и испытание прототипа детектора заряженных частиц на основе пропорциональных трубок для эксперимента ALICE на ускорителе LHC. Условия, в которых будет работать эксперимент ALICE, налагают жесткие требования на этот детектор. Выбранная конструкция детектора удовлетворяет механическим и радиационным требованиям, а полученная в ходе испытаний на пучке заряженных частиц точность восстановления координат удовлетворительна с точки зрения физических требований.
Цель работы
Целью данной работы является исследование и физическое моделирование двух классов процессов взаимодействия релятивистских тяжелых ионов, а именно когерентных двухфотонных процессов и процессов образования событий типа Центавр, для планируемого эксперимента ALICE на ускорителе LHC.
Основное внимание при исследовании двухфотонных процессов уделено возможности их экспериментального изучения, для чего проведены вычисления сечений образования различных процессов, происходящих в двухфотонных взаимодействиях, разработаны методы регистрации этих процессов в экспериментах на ускорителях тя-
7
- Київ+380960830922