Оглавление
Список терминов, условных обозначений и сокращений.........................5
Введение..................................................................6
Глава 1. Рождение адронов в столкновениях ультрарелятивистских ядер 18
1.1. Рождение адронов В ПрОТОН-ПрОТОННЫХ столкновениях При ЭНерГИИ \[s = 200 ГэВ...................................................................20
1.2. Эффекты начального состояния.........................................21
1.3. Эффект гашения струй.................................................25
1.3.1. Столкновения ядер золота при энергии = 200 ГэВ..............26
1.3.2. Столкновения ядер меди при энергии yJSNN = 200 ГэВ.................29
1.4. Заключение...........................................................31
Глава 2. Экспериментальная установка PHENIX...............................33
2.1. Ускоритель тяжелых ионов RHIC........................................33
2.2. Эксперимент PHENIX...................................................35
2.2.1. Система внутренних детекторов......................................37
2.2.2. Электромагнитный калориметр........................................38
2.2.3. Триггерная система.................................................41
2.3. Заключение...........................................................42
Глава 3. Методика исследования рождения Х,-мезонов в столкновениях
ультрарелятивистских ядер.................................................44
3.1. Анализ экспериментальных данных......................................44
3.2. Определение центральности столкновений...............................50
3.3. Измерение инвариантных выходов Х5-мезонов............................55
3.4. Измерение выхода Х,-мезонов..........................................56
3.4.1. Критерии отбора у-квантов..........................................59
3.4.2. Критерии отбора нейтральных пионов.................................60
3.4.3. Критерии отбора Х>мезонов..........................................64
3.4.4. Определение выхода Х5-мезонов......................................65
3.5. Функция коррекции z(prKs)............................................68
3.5.1. Эффективность регистрации ^-мезонов в экспериментальной установке69
3.5.2. Влияние множественности рождения частиц на эффективность регистрации К3-мезонов...................................................72
3.5.3. Приведение расчётного спектра £,-мезонов по поперечному импульсу к форме экспериментального.................................................74
3.5.4. Сравнение экспериментальных и расчётных характеристик электромагнитного калориметра............................................74
3.5.5. Эффективность у-триггера..........................................78
3.5.6. Приведение экспериментальных точек к центрам измеренных промежутков по поперечному импульсу......................................80
3.6. Систематические ошибки измерения инвариантных выходов ^-мезонов. 81
3.6.1. Пространственное разрешение и геометрия электромагнитного калориметра..............................................................82
3.6.2. Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра...........83
3.6.3. Энергетическая шкапа электромагнитного калориметра................83
3.6.4. Конверсия у-квантов...............................................83
3.6.5. Отбор я°-кандидатов...............................................84
3.6.6. Определение выхода Кг мезонов методом Монте-Карло моделирования экспериментальной установки..............................................84
3.6.7. Эффективность у-триггера..........................................84
3.6.8. Определение выхода ^-мезонов в экспериментальной установке 85
3.6.9. Вероятность распада Кж —* п°п°....................................85
3.7. Измерение факторов ядерной модификации для ^-мезонов................85
3.8. Заключение..........................................................86
Глава 4. Результаты исследования рождения ^-мезонов в столкновениях
ультрарелятивистских ядер................................................88
4.1. Результаты измерений инвариантных спектров по поперечному импульсу и факторов ядерной модификации для ЛГ,-мезонов в столкновениях ядер дейтерия и золота при энергии >/5^" = 200 ГэВ.....................................88
3
4.1.1. Инвариантные спектры Х,-мезонов по поперечному импульсу...........88
4.1.2. Факторы ядерной модификации для Л>мезонов.........................92
4.2. Результаты измерений инвариантных спектров по поперечному импульсу и факторов ядерной модификации для АГ,-мезонов в столкновениях ядер меди при
энергии yJSsгдг - 200 ГэВ................................................95
4.2.1. Инвариантные спектры ЛГ,-мезонов по поперечному импульсу..........95
4.2.2. Факторы ядерной модификации для Л>мсзонов.........................98
4.3. Результаты измерений инвариантных спектров по поперечному импульсу и факторов ядерной модификации для /^-мезонов в столкновениях ядер золота при энергии yjSNS =200 ГэВ..............................................100
4.3.1. Инвариантные спектры Х,-мсзонов по поперечному импульсу..........100
4.3.2. Факторы ядерной модификации для Л^-мезонов.......................101
4.4. Интегральные факторы ядерной модификации для ^-мезонов.............102
4.5. Обсуждение результатов исследования рождения А^-мсзонов в столкновениях ядер дейтерия и золота при энергии yJsNS, = 200 ГэВ.......103
4.6. Обсуждение результатов исследования рождения /С,-мезонов в столкновениях ядер золота и ядер меди при энергии yJSNiW = 200 ГэВ 105
4.7. Заключение.........................................................109
Заключение.............................................................111
Список литературы......................................................114
Приложение А. Система координат детектора PHENIX........................122
Приложение Б. Значения систематических ошибок измерения инвариантных
выходов Afj-мезонов.....................................................123
Приложение В. Инвариантный спектр Х5-мезонов по поперечному импульсу в р
+ р столкновениях при энергии yfs = 200 ГэВ.............................127
4
Список терминов, условных обозначений и сокращений
о - быстрота.
г| - псевдобыстрота.
- энергия пары взаимодействующих нуклонов в системе их центра масс (инерции).
Р]— поперечный импульс частицы. с - скорость света в вакууме. р - протон.
А и - ядро золота.
Си - ядро меди. с/ - ядро дейтерия. у - у-квант.
ЛГ,-мезон - нейтральный короткоживущий каон.
Функция Тсаллиса#0?т) определяется выражением [1, 2]:
1 /;0(/г,-1)(Л,-2) (ь2+^ргг+т1'
Т 2л(й2+/и„)(й2+т,(й|-1))[ >г2+тч )
где //0,1,2 - свободные параметры, тч - масса частицы.
5
Введение
Актуальность темы диссертационной работы
Квантовая хромодинамика (КХД) предсказывает, что при достаточно высокой температуре и/или плотности ядерная материя переходит в состояние со свободными кварками и глюонами и образуется так называемая кварк-глюонная плазма (КГП). Данный фазовый переход реализуется при температуре адронной среды Г ~ 170 МэВ (1012 К), что соответствует плотности энергии е ~ 1 ГэВ/фм3. Считается, что такое состояние материи существовало первые КГ6 секунд после Большого взрыва. Экспериментальное исследование фазового перехода адронной материи в КГП и изучение свойств нового состояния вещества позволит лучше понять процессы эволюции Вселенной, строения нейтронных звезд, а также проверить основы КХД.
Поскольку диссертационная работа посвящена исследованию свойств плотной и горячей ядерной среды, образующейся в столкновениях тяжелых ультрарелятивистских ядер, с помощью измерения особенностей рождения К$-мезонов, тема диссертационной работы является, безусловно, актуальной.
Цели диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы является экспериментальное исследование влияния плотной и горячей ядерной среды, образующейся в столкновениях тяжелых ультрарелятивистских ядер, на рождение А^-мезонов.
Задачи диссертационной работы
Задачи диссертационной работы заключаются в разработке методики исследования рождения АГ,-мезонов в столкновениях ультрарелятивистских ядер и измерении на её основе инвариантных спектров по поперечному импульсу и факторов ядерной модификации для Х>мезонов в столкновениях ядер дейтерия и золота, ядер меди и ядер золота при энергии = 200 ГэВ.
Научная новизна результатов диссертационной работы
Автором разработана новая методика исследования рождения К5-мезонов
в столкновениях ультрарелятивистских ядер, позволяющая эффективно измерять инвариантные спектры по поперечному импульсу и факторы ядерной модификации для Х,-мезонов в условиях большой множественности частиц, достигаемой в столкновениях ультрарелятивистских ядер, даже в условиях малой статистической обеспеченности выборки экспериментальных данных. Автором впервые в мире получены результаты исследования рождения К5-мезонов в столкновениях ядер меди и ядер золота при энергии >/5^7 ~ 200 ГэВ
в области поперечных импульсов рт > 3 ГэВ/с. Автором впервые в мире получены дифференцированные по центральности столкновений результаты измерений инвариантных спектров по поперечному импульсу и факторов ядерной модификации для Л>мезонов в столкновениях ядер дейтерия и золота при энергии = 200 ГэВ.
Личное участие автора
При активном и плодотворном участии автора диссертационной работы были поставлены и сформулированы цели и задачи исследования. Им была разработана методика исследования рождения А^-мезонов в столкновениях ультрарелятивистских ядер. Автор принимал участие в наборе и обработке экспериментальных данных и осуществлял их физический анализ с целью исследования рождения А^-мезонов в столкновениях ультрарелятивистских ядер. Вклад автора в научные работы, которые были опубликованы по теме диссертации, является определяющим.
Достоверность результатов диссертационной работы
Результаты диссертационной работы были получены путем анализа экспериментальных данных с применением различных модификаций методики исследования рождения /^-мезонов. Согласие результатов, полученных с использованием разных модификаций методики, свидетельствует об их достоверности.
Практическая значимость результатов диссертационной работы
Разработанную автором методику исследования рождения ЛГ5-мезонов в
столкновениях ультрарелятивистских ядер можно использовать при анализе данных, накопленных другими экспериментами, например экспериментом ATLAS или ALICE на ускорителе LHC. Новые результаты, полученные автором, являются систематическим исследованием рождения ЛГ,-мезонов в столкновениях ультрарелятивистских ядер, позволяют оценить влияние плотной и горячей среды на рождение странных частиц и вносят заметный вклад в выполняемые мировым научным сообществом исследования нового состояния вещества, называемого кварк-глюонной плазмой.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Разработана новая методика исследования рождения АГгмезонов в столкновениях ультрарелятивистских ядер.
2. Получены новые физические результаты об инвариантных спектрах К5-мезонов по поперечному импульсу в столкновениях ядер дейтерия и золота, ядер меди и ядер золота при энергии y/SNN - 200 ГэВ.
3. Получены новые физические результаты о факторах ядерной модификации для ЛГ*-мезонов в столкновениях ядер дейтерия и золота, ядер меди и ядер золота при энергии y/SNN = 200 ГэВ.
3.1. В центральных столкновениях ядер дейтерия и золота при энергии
yjSiVS = 200 ГэВ в области промежуточных поперечных импульсов (2-5 ГэВ/с)
наблюдается 10 % избыток выхода АГ,-мезонов, а в области больших поперечных импульсов (рт> 5 - 6 ГэВ/c) выход А>мезонов подавлен на 10-20 %. В периферийных столкновениях ядер дейтерия и золота подавления или избытка выхода /^-мезонов не наблюдается.
3.2. В столкновениях ядер дейтерия и золота при энергии y]Sm - 200
ГэВ поведение факторов ядерной модификации для -мезонов в области промежуточных и больших поперечных импульсов в пределах ошибок измерений согласуется с поведением факторов ядерной модификации, измеренных для я0-, Д-, СО- И ф-мезонов.
8
3.3. В центральных столкновениях ядер меди при энергии >/5^7 = 200 ГэВ в области больших поперечных импульсов {рг > 5 - 6 ГэВ/с) выход К мезонов подавлен примерно в два раза. С уменьшением центральности столкновений эффект подавления уменьшается и в периферийных столкновениях значения фактора ядерной модификации близки к единице во всей области измерений.
3.4. В центральных столкновениях ядер золота при энергии = 200
ГэВ в области больших поперечных импульсов (рт >5-6 ГэВ/с) выход К5-мезонов подавлен в 4 - 5 раз. В периферийных столкновениях ядер золота наблюдается 20 % подавление выхода /С,-мезонов во всей области измерений.
3.5. В столкновениях ядер меди и ядер золота при энергии >/5^" = 200
ГэВ поведение факторов ядерной модификации для /^-мезонов в области больших поперечных импульсов в пределах ошибок измерений согласуется с поведением факторов ядерной модификации, измеренных для я0-, тр, со- и <р-мезонов.
3.6. Зависимости интегральных факторов ядерной модификации от числа нуклонов, участвующих во взаимодействии, измеренные для А>мезонов в области поперечных импульсов рт> 6 ГэВ/с в столкновениях ядер меди и ядер золота при энергии = 200 ГэВ, хорошо согласуются в пределах ошибок
измерений.
4. Сформулированы выводы, сделанные на основе новых физических результатов.
4.1. В периферийных столкновениях ядер дейтерия и золота при энергии у/Яуу ~ 200 ГэВ не наблюдается коллективных эффектов, оказывающих
влияние на рождение ЛГ,-мезонов в области поперечных импульсов рт> 2 ГэВ/с.
4.2. Эффекты начального состояния в столкновениях ядер дейтерия и золота при энергии = 200 ГэВ слабо зависят от массы мезонов и их
кваркового состава.
9
4.3. Подавление выхода Кх-мезонов в области больших поперечных импульсов (рт> 5 - 6 ГэВ/с) в центральных столкновениях тяжелых ядер (Си + Си, Аи + Аи) при энергии = 200 ГэВ является эффектом конечного
состояния и возникает в результате энергетических потерь жестко рассеянных партонов, проходящих через плотную цветовую среду.
4.4. Величина подавления выхода /С5-мезонов в столкновениях тяжелых
ультрарелятивистских ядер (Си + Си, Аи + Аи) при энергии ^/5^, = 200 ГэВ в
основном определяется количеством нуклонов, участвующих во взаимодействии, и не зависит от геометрии перекрытия ядер.
4.5. Подавление выхода мезонов в столкновениях тяжелых
ультрарелятивистских ядер (Си + Си, Аи + Аи) при энергии = 200 ГэВ в
области больших поперечных импульсов (рг >5-6 ТэВ/с) происходит на партонном уровне, и величина энергетических потерь для г/-, <1- и ^-кварков приблизительно одинакова.
Публикации и апробация диссертационной работы
По результатам настоящей диссертационной работы опубликовано три печатные работы [3, 4, 5] в журнале, включенном в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, рекомендованные Высшей аттестационной комиссией («Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета»). Автором представлены результаты диссертационной работы на VII конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям (Харьков, Украина, 2010 г.), IX международной конференции по ядерной физике «Ядро 2010. Методы ядерной физики для фемто- и нанотехнологий» (Санкт-Петербург, 2010 г.) и конференции по физике и астрономии для молодых учёных Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА.СПб» (Санкт-Петербург, 2010 г.).
10
- Київ+380960830922