Введение................................................................5
Глава 1. Ультрапериферические столкновения протонов и тяжелых ядер при высоких энергиях...................................................16
1.1. Метод эквивалентных фотонов.....................................16
1.2. Поток эквивалентных фотонов испущенных протоном.................19
1.3. Поток эквивалентных фотонов испущенных ядром....................21
1.4. Ультрапериферические столкновения протонов и тяжелых ядер 23
Глава 2. Сечение когерентного фоторождения J/\\i-мезона в УПС протонов на БАК.................................................................26
2.1. Глюонные плотности в протоне....................................27
2.2. Сечение когерентного фоторождснис У/у-мсзонов в УГ1С протонов на БАК................................................................30
2.3. Зависимость сечения когерентного фоторождения У/\{/-мезона в УПС протонов от быстроты...............................................31
2.4. Фоторожденис У/у-мезоиов в УПС протонов и антипротонов на Tevatron ...................................................................32
2.5. Экспериментальная установка ALICE...............................34
2.6. Оценка геометрического аксептанса и эффективности регистрации детекторов.........................................................34
2.7. Возможное количество зарегистрированных УЛ|/-мсзонов на БАК 35
2.8. Фоновые процессы - рождение У/у-мезонов в сильных взаимодействиях протонов...........................................................36
2.9. Фоторождение У/у-, р- и (р-мезонов, сопровождающееся дифракционной диссоциацией мишени................................................39
2.10. Результаты и выводы............................................41
Глава 3. Сечение когерентного фоторождения легких векторных мезонов в ультрансриферических протон-нротонных н нротон-ядерных взаимодействиях на БАК.................................................41
3.1. Стандартная модель векторной доминантности......................42
3.2. Модель Доннсчи-Лендшоффа........................................43
3
3.3. Эксклюзивное фоторождение р- и ф-мсзопов в экспериментах ZEUS и Н1 48
3.4. Анализ процессов эксклюзивного фоторождения р- и ф-мезонов в экспериментах ZEUS и Н1..............................................50
3.5. Зависимость сечения фоторождения легких векторных в УПС протонов от быстроты рожденного векторного мезона.............................53
3.6. / - зависимость сечения фоторождения легких векторных мезонов в УПС протонов.............................................................56
3.7. Возможное количество зарегиезрированных когерентно-рожденных легких векторных мезонов в эксперименте..............................57
3.8. Обобщенная модель векторной доминантности.........................58
3.9. Роль вклада жесткого померона. Универсальность траектории мягкого померона........................................................... 60
3.10. Сечение фоторождения векторных мезонов в ультрапериферических протон-ядерных столкновениях.........................................64
3.11. Результаты и выводы..............................................67
Глава 4. Когерентное фоторождение J/\\i- и р-мезонов в ультрапериферических столкновениях тяжелых ионов для энергии БАК и коллайдера RHIC..........................................................68
4.1. Электромагнитная диссоциация ядер.................................69
4.2. Поток квазиреальных фотонов испущенных ядром......................71
4.3. Сечение когерентного фоторождения р-мезона в УПС ядер.............73
4.3.1. Энергия STAR 62,4, 130 и 200 ГэВ.............................74
4.3.2. Моделирование процесса рождения р-мезона в УПС ядер с помощью программного пакета StarLight...................................78
4.3.3. Энергия БАК2,76 и 5,5 ГэВ....................................79
4.3.4. Результаты и выводы..........................................80
4.4. Глюонные плотности в ядрах........................................81
4.5. Учет ядерных экранировок в приближении лидирующих твистов 83
4.6. Сечение когерентного фоторождения У/у-мсзона в У11C ядер..........86
4
4.6.1. Энергия STAR 130 и 200 ГэВ..................................88
4.6.2. Фоторождение J/ip-мезона в ультрапериферических столкновениях ядер золота в эксперименте PHENIX..............................89
4.6.3. Энергия БАК 2,76 и 5,5 ТэВ..................................91
4.6.4. Метод выделения сечения фоторождения J/lff-мезона фотонами высоких энергий................................................92
4.7. Фоновый процесс - фоторождение пар мюонов в уу -взаимодействии... 94
4.8. Фоновый процесс - рождение У/у-мезонов в сильных взаимодействиях
ядер...............................................................101
4.9. Результаты и выводы............................................104
Экспериментальное подтверждение правильности использованной модели
......................................................................104
Заключение............................................................107
Список литературы.....................................................110
Приложение А. Экспериментальная установка ALICE.......................121
Приложение Б. Фоторождение У/y-, р- и у-мезонов, сопровождающееся дифракционной диссоциацией мишени.....................................124
5
Введение
Актуальность темы диссертационной работы
После завершения в 2007 году экспериментов на коллайдере HERA (DESY, Германия), ультрапериферичсские столкновения (УПС) протонов и ядер на Большом адронном коллайдере (БАК) являются единственным экспериментальным способом продолжения исследований широкого класса процессов фоторождения векторных мезонов на протонных и ядерных мишенях при высоких энергиях. Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью планирования и оптимизации экспериментов, планируемых и проводимых на БАК, путем оценок их результатов с помощью существующих теоретических методов. Кроме того, актуальность темы обусловлена и научной значимостью ожидаемых результатов.
Процессы фоторождения с образованием тяжелых векторных мезонов (У/у-мезон) относятся к жестким процессам, которые являются одним из основных источников информации о структуре частиц и динамике их взаимодействий на малых расстояниях. Жесткий масштаб обусловлен сравнительно большой массой векторного мезона 3,096ГэВ), что
позволяет использовать теорию возмущений квантовой хромодинамики (КХД) для расчета сечений когерентного фоторождения тяжелых кваркониев при высоких энергиях. В лидирующем порядке теории возмущений КХД сечение пропорционально квадрату глюонной плотности. Распределение глюонных плотностей в нуклонах и ядрах является одним из ключевых параметров в формировании экстремальных состояний ядерной материи при высоких температурах. В диссертации показано, что именно на БАК можно тщательно исследовать распределения глюонных плотностей в кинематической области, изученной на HERA, а также продвинуться в области х<\0~4 (л*-доля импульса протона, переносимая глюоном) для нуклонов [1] и л < IО"2 для ядер [2], которые до настоящего времени были недостижимы ни на одном ускорителе.
6
Процессы когерентного фоторождения легких векторных мезонов (р-, ф-мезоны) при малых переданных импульсах относятся к физике мягкого адрон-адронного рассеяния. Описание этих процессов в теории возмущений КХД невозможно, и при их исследовании широко используются феноменологические модели, в частности, основанная на теории Редже модель Доннечи-Лендшоффа. Одной из ключевых гипотез модели является универсальность траектории мягкого померона. Данные, полученные в экспериментах на коллайдере ПЕКА но фоторождению легких векторных мезонов на протонах, ввиду значительных экспериментальных ошибок не позволили однозначно подтвердить или опровергнуть данную гипотезу. Поскольку модель Доннечи-Лендшоффа широко используется как для анализа уже полученных данных по адрон-адронным взаимодействиям, так и для планирования будущих экспериментов, исследование возможности проверки одной из основных ее гипотез является, безусловно, актуальной проблемой.
Работа поддержана в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- 2013 годы.
Цели и задачи диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы является изучение процессов фоторождения векторных мезонов (.//ф-, р, ф-мезоны) в УГІС прогонов при энергиях д/^д.д, =7 ТэВ, 14ТэВ, протонов и ядер при энергии ^хх =8,8 ТэВ и ядер при энергиях =62,4 ГэВ, 130 ГэВ, 2,76 ТэВ, 5,5 ТэВ в рамках
существующих теоретических подходов. Выполненные в диссертации исследования важны для анализа проводимых па БАК экспериментов, а также для планирования и оптимизации будущих экспериментов па электрон-ионных коллайдерах.
Научная новизна результатов диссертационной работы
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
1. разработан новый метод, который позволяет из измеренного сечения фоторождения векторного мезона с ненулевой быстротой в симметричном УПС
7
тяжелых ядер выделить вклады от рождения мезона низкоэнергетпчсскими и высокоэнсргетичсскими фотонами, испущенными сталкивающимися ядрами. Ценность предложенного подхода в том, что на данный момент это единственный способ извлечь из данных сечение фоторождения тяжелого векторного мезона фотоном высоких энергий и, следовательно, исследовать поведение ядерной глюонной плотности в области меньших х;
2. предсказаны величины сечений фоторождения УЛр-мсзона в УПС ядер свинца с учетом эффектов глюооных экранировок в ядрах и электромагнитного возбуждения ядер, приводящих к их диссоциации, сопровождающейся эмиссией нейтронов;
3. в лидирующем порядке теории возмущений КХД вычислены сечения фоторождения У/ф-мезонов в УПС протонов при энергии y]Sm =7 ТэВ и показано, что экспериментальное измерение зависимости сечения от быстроты рожденного мезона в области больших быстрот у>2 позволит определить значения глюонной плотности в протоне, вплоть до л~10'5;
4. вычислены сечения фоторождения р- и ф-МСЗОНОВ в ультрапериферических протон-протонных и протон-ядерных столкновениях на БАК и предложен способ проверки гипотезы универсальности траектории мягкого померона и исследования роли жесткого померона в модели Доннечи-Лендшоффа.
Достоверность результатов диссертационной работы
Результаты диссертационной работы подтверждены первыми экспериментальными данными по фоторождению чармония в ультрапериферических ядро-ядерных столкновениях на БАК, полученными в 2012 году [3].
Практическая значимость результатов диссертационной работы
Полученные в диссертации результаты уже использованы при анализе первых данных но фоторождению чармония в ультрапериферических столкновениях ядер свинца на БАК и цитируются в публикации коллаборации ALICE [3]. Предложенный в диссертации новый метод выделения когерентного
8
рождения векторных мезонов фотоном высоких энергий в симметричных ядроядерных столкновениях будет использован в анализе данных после накопления большой статистики, поскольку на данный момент это единственный способ исследования ядерных глюонных плотностей при очень малых
Научные положении, выносимые на защиту
На защиту выносятся результаты и выводы диссертационной работы.
Публикации н апробация диссертационной работы
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, список ко торых приведен в конце автореферата.
Результаты работы были доложены:
1. на XV Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (2011 г., Санкт-Петербург);
2. на 61 международной конференции «ЯДРО-2011» по проблемам ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (2011 г., Саров);
3. на 62 международной конференции «NUCLEUS 2012» (2012 г., Воронеж).
Результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры экспериментальной ядерной физики СПбГПУ, Неделях науки СПбГПУ.
Личный вклад автора
Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим в реализации расчетов, а так же в интерпретации и анализе полученных результатов.
Содержание и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 129 страниц, в том числе 57 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 114 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлены её цели и задачи. Показана научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы, обоснована их
9
достоверность. Отражено личное участие автора, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и кратко изложено содержание её разделов.
В первой главе в краткой форме дано описание физики ультрапсриферических процессов столкновения протонов и ядер при высоких энергиях [4] и рассмотрен метод эквивалентных фотонов [5]. Этот метод позволяет представить дифференциальное сечение фоторождения векторного мезона в ультрапериферическом столкновении двух заряженных ионов Л,Л2 —> лул, с массовыми числами А, и А? в виде произведения потока фотонов, излученных одним ядром, и сечения фоторождения частицы на втором из сталкивающихся ядер:
_</Ау,л,0’) ‘^»^Ау.о | мг,л,(-у) <1(ГГ^А,Л-У,0
ЖАу с1у ск Ау ск
где ( - квадрат переданного импульса, ГэВ2; у - быстрота
образовавшегося векторного мезона; _ поток квазиреальных фотонов,
<1у
испускаемых одним из сталкивающихся ядер; —? сечение
ш
когерентного фоторождения мезона на втором ядре. Появление второго слагаемого в (1) связано с симметрией ультрапсриферических столкновений. Именно благодаря возможности использовать метод эквивалентных фотонов ультрапсриферичсские столкновения релятивистских ионов оказались одним из наиболее эффективных методов исследования сечений фоторождения векторных мезонов при высоких энергиях. Однако, это в свою очередь предъявляет серьезные требования к точности вычисления потоков эквивалентных фотонов. В первой главе проведено изучение этой проблемы и показано, что поток фотонов, излученных ультрарелятивистским тяжелым ядром, может быть вычислен с погрешностью не более 5% .
Во второй главе в лидирующем порядке теории возмущений КХД вычислено сечение когерентного фоторождения ,1/у-мезона в УПС протонов при энергии ^9Л,У =7 ТэВ на БАК. Исследована возможность регистрации У/у-
10
мезонов в эксперименте ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Произведены оценки возможного числа когерентно рожденных У/у-мезонов, зарегистрированных в эксперименте ALICE в УГ1С прогонов при энергии
A-.V =7 ТэВ в условиях накопленной светимости БАК. Учтен вклад фоновых процессов рождения У/у-мезонов в сильных взаимодействиях протонов и У/у-мезонов, рожденных в дифракционных процессах фоторождения, сопровождающихся диссоциацией мишени.
С лидирующей логарифмической точностью сечение фоторождения У/у-мезона на прогоне пропорционально квадрату глюонной плотности .х-^(л,б3), где Q2=(Q2 + M1j,},)/4, x = (Q2 + M2Jfy)/(lVyp2 + M2J/y), Q2 - виртуальность фотона, MJiv - масса У/у-мезона, Wrp - энергия протон-фотонного взаимодействия [6].
■ [«,(*. в2)]2 ■ «чк ^ W - И). (2)
где Г(с - ширина электронного распада У/у-мезона, наклон Вл</ параметризован выражением ВЛу = 3,1 + 0,25 lg(i7i’0),$0=100 ГэВ2.
Па рис. 1 приведено
рассчитанное сечение когерентного фоторождения У/у-мезона в УПС протонов при энергии y]SiWiX =7 ТэВ в
зависимости от быстроты рожденного У/у-мезона. Полное сечение составляет 65 нб.
В УПС прогонов больший вклад в сечение фоторождения У/у-мезона вносит взаимодействие
высокоэнергетичных фотонов и глюонов с малыми х (см. штриховая линия на рис. 1). В области больших быстроту>2 односторонние вклады хорошо разделены и отличаются более, чем
Рисунок 1 Зависимость ссчсния когерентного фоторождеиня У/у-мсзона от его быстроты в УПС протонов при энергии ч5д7у*=7 ТэВ (сплошная линия). Штриховая линия - односторонние вклады
- Київ+380960830922