2
Оглавление
Основные обозначения и сокращения................................... 7
Введение............................................................ 8
1 Эксперимент ФЕНИКС на коллайдере ЯНГС.............................. 34
1.1 Теоретические основы............................................. 34
1.1.1 Конфайнмент.................................................... 36
1.1.2 Восстановление киральной симметрии............................. 40
1.1.3 Взаимодействия тяжелых релятивистских ядер..................... 43
1.2 Релятивистский коллайдер тяжелых ионов........................... 46
1.3 Эксперимент ФЕНИКС............................................... 48
1.3.1 Система внутренних детекторов.................................. 51
1.3.2 Трековые детекторы............................................. 53
1.3.3 Электромагнитный калориметр.................................... 54
1.3.4 Идентификация частиц........................................... 57
1.3.5 Триггеры редких событий........................................ 60
1.3.6 Геомстрия столкновений тяжелых ионов.......................... 61
1.3.7 Определение числа нуклонов, участвующих во взаимодействиях, и числа парных столкновений.................... 64
1.4 Физическая программа эксперимента ФЕНИКС......................... 69
1.4.1 Охлаждение струй............................................... 72
1.4.2 Дебаевское экранирование....................................... 74
1.4.3 Восстановление киральной симметрии............................. 74
1.4.4 Электромагнитные сигналы....................................... 75
1.4.5 Другие признаки................................................ 77
1.5 Заключение....................................................... 78
3
2 Дрейфовые камеры эксперимента ФЕНИКС................................ 80
2.1 Особенности работы дрейфовых камер................................ 80
2.2 Требования к проволочной структуре дрейфовых камер.............. 83
2.3 Разработка проволочной структуры дрейфовых камер................ 85
2.3.1 Моделирование работы проволочной структуры.................... 88
2.3.1.1 Программный комплекс моделирования.......................... 88
2.3.1.2 Оптимизация проволочной структуры........................... 94
2.3.1.3 Провисание проволок......................................... 99
2.3.1.4 Модульная конструкция дрейфовых камер....................... 102
2.3.2 Испытание прототипов.......................................... 103
2.4 Запуск дрейфовых камер в составе эксперимента ФЕНИКС............. 105
2.4.1 Несущая конструкция дрейфовых камер............................ 105
2.4.2 Считывающая электроника........................................ 108
2.4.3 Рабочая газовая смесь.......................................... 108
2.4.4 Режимы работы по высокому напряжению.......................... 109
2.4.5 Базовые параметры............................................. 110
2.4.6 Калибровка дрейфовых камер..................................... 112
2.4.6.1 Коррекции к измеренным величинам дрейфового времени 112
2.4.6.2 Грубая калибровка дрейфовых камер........................... 114
2.4.6.3 Тонкая калибровка дрейфовых камер........................... 116
2.4.7 Восстановление треков заряженных частиц........................ 125
2.4.8 Импульсное разрешение дрейфовых камер.......................... 127
2.5 Заключение....................................................... 130
4
3 Измерение характеристик легких мезонов............................ 132
3.1 Анализ качества экспериментальных данных......................... 134
3.1.1 Дрейфовая камера и первый слой падовых камер................... 135
3 Л .2 Электромагнитный калориметр................................... 136
3.1.3 Третий слой падовых камер...................................... 138
3.1.4 Детекторы для идентификации частиц............................. 139
3.2 Отбор заряженных и нейтральных частиц............................ 140
3.2.1 Отбор нейтральных частиц....................................... 141
3.2.2 Отбор заряженных частиц........................................ 145
3.2.3 Ассоциация треков с внешними детекторами...................... 147
3.2.4 Идентификация заряженных частиц............................... 149
3.2.4.1 Идентификация адронов........................................ 151
3.2.4.2 Идентификация электронов и позитронов....................... 152
3.3 Измерение выходов мезонов в экспериментальной установке.......... 155
3.3Л Измерение выхода к0 - мезонов в канале распада л ->уу.......... 157
3.3.2 Измерение выхода Т| - мезонов в канале распада т|—>уу......... 160
3.3.3 Измерение выхода мезонов в каналах распада
С0(г|) -» Л+7С', Г|’ —» Г|ТС+7Г , СО -> 7Г°7 И К*я —> Л°Л°...... 164
3.3.4 Измерение выхода (р - мезонов в канале распада ср -> К'К*..... 172
3.3.5 Измерение выхода ср - мезонов в канале распада (р —>• е‘с'.... 176
3.4 Эффективность Е11Т_4х4 триггера................................. 179
3.5 Эффективность регистрации мезонов в
экспериментальной установке...................................... 180
3.5.1 Проекты Монте-Карло моделирования.............................. 182
3.5.2 Функции коррекций.............................................. 183
3.5.3 Эффективность ЕЯТ_4х4 триггера для регистрации мезонов 189
3.5.4 Уменьшение эффективности регистрации мезонов
в условиях большой множественности частиц...................... 190
5
3.5.5 Приведение экспериментальных спектров к центрам
промежутков по поперечному импульсу............................. 193
3.6 Систематические ошибки измерений................................. 194
3.7 Результаты измерения спектров рождения мезонов
по поперечному импульсу.......................................... 199
3.7.1 Рождение со - мезонов в р+р, d+Au и Au+Au взаимодействиях 199
3.7.2 Рождение К - мезонов в р+р и d+Au взаимодействиях.............. 203
3.7.3 Рождение ф - мезонов в p i p, d+Au и Au+Au взаимодействиях 206
3.7.4 Рождение т| - мезонов в р+р, d+Au и Au+Au взаимодействиях 213
3.7.5 Рождение г|’ - мезонов в р Ьр взаимодействиях.................. 216
3.7.6 Рождение тт° - мезонов в р Ьр, d+Au и AiH Au взаимодействиях 218
3.8 Заключение....................................................... 223
4 Исследование ядро-ядерных взаимодействий на коллайдере RHIC 226
4.1 Систематизация дифференциальных сечений рождения мезонов в
р+р взаимодействиях при энергии Vs = 200 ГэВ..................... 226
4.2 Отношение выходов векторных и псевдоскалярных мезонов
в р+р столкновениях при энергии Vs =200 ГэВ...................... 236
4.3 Интегральные выходы и спектральные свойства легких 241
векторных мезонов...............................................
4.3.1 Экспериментальная ситуация..................................... 243
4.3.2 Измерения в эксперименте ФЕНИКС............................... 251
4.4 Рождение ф - мезонов в зависимости от энергии взаимодействия и размера сталкивающейся системы................................... 256
4.5 Факторы ядерной модификации для легких адронов
в d+Au и Au+Au взаимодействиях................................... 260
4.5.1 Жесткие процессы в р+р столкновениях........................... 262
4.5.2 Жесткие процессы в Л+А столкновениях........................... 265
6
4.5.3 Факторы ядерной модификации для легких адронов
в d+Au взаимодействиях при энергии 200 ГэВ...................... 270
4.5.4 Факторы ядерной модификации для легких адронов
в Au+Au взаимодействиях при энергии Js^=200 ГэВ................. 272
4.5.5 Энергетические потери партонов................................. 278
4.5.5.1 Эмпирическая оценка энергетических потерь.................... 280
4.5.5.2 Транспортные свойства горячей партонной среды................ 282
4.6 Рождение адронов в области промежуточных поперечных
импульсов......................................................... 290
4.7 Заключение....................................................... 301
Заключение........................................................... 304
Литература........................................................... 309
Основные обозначения и сокращении
рт - поперечный импульс частицы, рт = * + р; .
тт - поперечная масса частицы, тт = л/рг + то » гДе то ~ масса частицы.
- энергия нуклон-нуклонного взаимодействий в системе центра масс.
'Е + рз
у - быстрота частицы, у = — In
2
, где Е - полная энергия частицы,
г /
pz - проекция вектора импульса на ось столкновения. г\ - псевдобыстрота, г| = -In^tan^ j и G - полярный угол.
RI1IC - Релятивистский Коллайдер Тяжелых Ионов (Relativistic Heavy Ion Collider).
Размерности физических величин в формулах показаны в квадратных скобках или круглых скобках.
8
Введение
Одним из приоритетных направлений в физике высоких энергий является
изучение свойств ядерной материи в условиях высоких температур и
плотностей. Теоретические расчеты на решетке в рамках квантовой
хромодинамики (КХД) показывают, что при больших значениях температуры
и/или барионной плотности адронная материя испытывает фазовый переход в
состояние со “свободными” кварками и глюонами. Фазовый переход также
может сопровождаться восстановлением киральной симметрии. По аналогии с
электромагнитной плазмой подобное состояние материи получило название
кварк-глюонной плазмы (КГП). Считается, что Вселенная, образовавшаяся
около 14 миллиардов лет назад, находилась в данном состоянии,
11
характеризуемом температурой порядка 10 " К, в течение нескольких микросекунд после Большого Взрыва. Ожидается, что изучение подобного состояния ядерного вещества поможет дать ответы на целый ряд фундаментальных вопросов в физике высоких энергий и физике сильных взаимодействий. Наиболее важные из них это вопрос о природе сил, связывающих кварки в адронах, и вопрос о нарушении киральной симметрии, ответственном за динамические массы кварков и, как следствие, адронов.
Теоретическое обсуждение природы ядерной материи при высоких температурах и плотностях во многом стимулировалось пониманием того, что подобные условия могут достигаться в лабораторных условиях при изучении центральных столкновений тяжелых релятивистских ядер. Основная цель программы подобных исследований заключается в экспериментальном изучении свойств ядерной материи в условиях высоких температур и плотностей. Большое внимание уделяется вопросу открытия КГП, где сам термин используется для общего описания системы, в которой доминирующими степенями свободы не являются бесцветные адроны, наблюдаемые как изолированные частицы, и резонансы. Данное определение
9
имеет свои ограничения, поскольку нуклон-нуклонные взаимодействия при больших энергиях не могут быть описаны только на языке нейтральных по цвету адронов и требуют рассмотрения базовых партонных взаимодействий. Существенная разница по сравнению с взаимодействиями тяжелых ядер заключается в доминировании партонных степеней свободы во всем диапазоне импульсов и расстояний.
Для того чтобы зафиксировать образование КГП во взаимодействиях тяжелых релятивистских ядер, необходимо одновременно измерить целую совокупность потенциальных признаков ее образования. Очевидно, что сигналы образования КГП могут изучаться только через регистрацию адронов, лептоиов и фотонов, вылетающих из области взаимодействия на конечной стадии реакций. Большинство теоретически предсказанных сигналов образования КГП полностью или частично размываются в ходе эволюции взаимодействующей системы, а также могут иметь обычные адронные дубликаты.
Программа по изучению столкновений тяжелых релятивистских ядер с целью поиска и изучения свойств КГП началась на ускорителе Bevalac в Беркли (1975-1985, США) и продолжилась на синхротронах AGS в Брукхэйвенской Национальной Лаборатории (1987-1995, США) и SPS в ЦЕРНс (1987-настоящее время, Швейцария). Несмотря на множество новых эффектов, обнаруженных в ядро-ядерных взаимодействиях при энергиях = 4-20 ГэВ,
в настоящее время не существует экспериментальных данных, однозначно свидетельствующих об образовании КГП в лабораторных условиях. Модельно зависимые расчеты показывают, что в экспериментах удалось достичь плотностей энергии порядка s « 1-5 ГэВ/фм3 и температур порядка Т « 140-200 МэВ. Однако размер и время жизни партонного состояния могли быть недостаточными для достижения равновесия.
Прогресс в данной области может быть связан с повышением энергии взаимодействия тяжелых ионов, что достигается при использовании нового
10
поколения ускорителей - коллайдеров. Первым в мире коллайдером тяжелых ионов стал Релятивистский Коллайдер Тяжелых Ионов (Ш-ПС), который начал свою регулярную работу летом 2000 года в Брукхэйвенской Национальной Лаборатории. Эксперимент ФЕНИКС является одним из двух основных экспериментов на коллайдере ШНС. Физическая программа эксперимента включает в себя изучение свойств среды, образующейся в центральных столкновениях тяжелых ультрарелятивистских ядер. Для этого экспериментальная установка должна обеспечивать эффективную регистрацию нейтральных и заряженных частиц в широком динамическом диапазоне. Особенности ядерных взаимодействий на коллайдере ШЛС заключаются в высокой множественности заряженных частиц, рождающихся в центральных столкновениях тяжелых ядер в области малых быстрот (сМ/бу^о ~ 1000), а также высокой частоте элементарных нуклон-иуклонных столкновений (-5-105 Гц). Поэтому создание экспериментальной установки ФЕНИКС потребовало проведения обширной программы исследований с целью оптимизации параметров детекторных подсистем, которые должны обеспечивать высокое энергетическое, пространственное и временное разрешение, а также высокую эффективность регистрации частиц в специфических условиях, реализуемых на коллайдере Ш-ПС.
Данная диссертационная работа посвящена изучению свойств ядерной материи, образующейся при взаимодействии релятивистских тяжелых ядер, через измерение свойств легких идентифицированных мезонов (л°, К °, Г|, СО, Г)’, ф), рождающихся в р+р, б+Аи и Аи+Аи взаимодействиях при энергиях
= 62, 200 ГэВ. В работе также решен вопрос разработки, создания, запуска,
калибровки и эксплуатации основного детектора трековой системы эксперимента ФЕНИКС - дрейфовых камер. Два направления близко связаны, так как дрейфовые камеры являются одним из основных детекторов, используемых для измерения свойств частиц в эксперименте ФЕНИКС. Тема настоящей работы является актуальной, так как она связана с описанием
и
свойств ядерной материи в условиях высоких температур, а также с разработкой и созданием современных детекторов в области экспериментальной физики высоких энергий.
Основная цель работы заключается в получении и интерпретации новых экспериментальных данных о свойствах ядерной материи в условиях высоких температур, достигаемых в центральных столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ядер на коллайдере ЯН1С. Данная цель включает в себя:
1) Измерение инклюзивных выходов легких идентифицированных мезонов (л0, К°, т|, со, г|\ ф) в р+р, ё+Аи и Аи+Аи взаимодействиях при энергиях
взаимодействия = 62, 200 ГэВ и различной центральности ядро-ядерных столкновений.
2) Изучение особенностей механизмов рождения мезонов в области больших поперечных импульсов (в области применимости пертурбативных методов КХД), измерение относительных выходов частиц в р+р столкновениях при энергии л/б = 200 ГэВ.
3) Измерение спектральных свойств (массы и ширины) легких векторных со и <р - мезонов, а также интегральных выходов ф - мезона в адронном (ф->К+К') и диэлектронном (ф—>е+е‘) каналах распада с целью поиска признаков восстановления киральной симметрии.
4) Измерение факторов ядерной модификации для легких идентифицированных мезонов (д°, К° , т|, со, г\\ ср) в ё+Аи и Аи+Аи
взаимодействиях при энергии — 200 ГэВ и различной центральности ядроядерных столкновений.
5) Определение роли эффектов начального (модификации функций распределения, мягкое многократное перерассеяние партонов (эффект Кронина)) и конечного (энергетические потери партонов в среде, перерассеяние адронов, коллективные потоки) состояний, оказывающих влияние на свойства рождающихся частиц.
12
6) Сравнение результатов измерений с предсказаниями различных теоретических моделей, получение численных оценок для величины энергетических потерь партонов, глюонной плотности в образующейся среде и ее транспортных свойств.
7) Систематическое изучение факторов ядерной модификации, измеренных для различных мезонов и (анти)барионов с целью поиска аномалий в механизмах рождения адронов, имеющих различную массу и кварковый состав.
8) Разработка, создание, запуск и калибровка основного детектора трековой системы эксперимента ФЕНИКС - дрейфовых камер.
11аучная новизна работы заключается в следующем:
1) Получены новые экспериментальные данные для инклюзивных спектров рождения легких идентифицированных мезонов (тг°, К” , г|, ш, г\\ ф) п0 поперечному импульсу в р+р, с!+Аи и Аи+Аи взаимодействиях при беспрецедентно высоких энергиях 62, 200 ГэВ.
2) Получены новые экспериментальные данные для относительных выходов векторных и псевдоскалярных мезонов (со/тс°, <р/я°, К°/я°, т|/тс° И Г)7тт°) в р+р
столкновениях при энергии л/б = 200 ГэВ. Измерения были выполнены в области больших поперечных импульсов (рт > 1-2 ГэВ/с), где рождение частиц в основном обусловлено фрагментацией жестко рассеянных партонов.
3) Получены новые экспериментальные данные о факторах ядерной модификации для легких идентифицированных мезонов (тг°, К^, г|, со, (р) в б+Аи
и Ли+Аи взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ и различной
центральности столкновений.
4) Получены новые экспериментальные данные для спектральных свойств легких векторных со и (р - мезонов в р+р, с!+Аи и Аи+Аи взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ и различной центральности столкновений. Спектральные свойства мезонов измерялись в адронных каналах распада (р -» К.'К' и со -> п°к п.
5) Получены новые экспериментальные данные для температур и интегральных выходов ср - мезонов в р+р, с!+Аи и Аи+Аи взаимодействиях при
Измерения были выполнены в адронном <р —> К+К‘ (р 1р, с!+Аи, Аи+Аи) и диэлектронном <р -» е+е" (Аи+Аи) каналах распада.
6) Впервые экспериментально обнаружен эффект охлаждения (или гашения) струй, связанный с энергетическими потерями жестко рассеянных партонов в плотной и горячей ядерной среде, образующейся в центральных Аи+Аи столкновениях при энергии = 200 ГэВ.
7) Впервые экспериментально обнаружен эффект избыточного выхода (анти)барионов относительно выхода мезонов в области промежуточных импульсов 1.5 < рт (ГэВ/с)< 4.5 в центральных Аи+Аи столкновениях при
8) Созданы уникальные дрейфовые камеры центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС, обеспечивающие высокую эффективность восстановления треков заряженных частиц (~ 100%) и высокое импульсное разрешение (5р/р ~ 1%-р[ГэВ/с]) в условиях большой множественности заряженных частиц и большой частоты ядерных столкновений, реализуемых на коллайдере 11Н1С.
Научная и практическая значимость работы. Полученные в диссертационной работе данные свидетельствуют об образовании в
центральных Аи+Аи столкновениях при энергии = 200 ГэВ среды,
обладающей уникальными свойствами, которые не наблюдались в экспериментах по изучению взаимодействий тяжелых ядер при более низких энергиях. Данная среда характеризуется высокой начальной глюонной плотностью (с!Ые/с1у ~ 1400) и плотностью энергии (в0 ~ 20 ГэВ/фм3) и вероятнее всего состоит из сильно взаимодействующих партонов, а не из газа квазисвободных частиц. Полученные экспериментальные результаты требуют
энергиях
200 ГэВ и различной центральности столкновений.
энергии
14
дальнейшего теоретического описания, и необходимы для развития теоретических моделей ядро-ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях. Полученные данные о свойствах среды вносят важный вклад в программу поиска и изучения свойств кварк-глюонной плазмы в столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ядер.
Разработанные методики анализа экспериментальных данных, использованные для измерения свойств легких идентифицированных мезонов, широко используются в коллаборации ФЕНИКС.
Методики, разработанные при создании дрейфовой камеры эксперимента ФЕНИКС, являются универсальными и могут использоваться при разработке других газовых детекторов. В частности они были применены для настройки параметров считывающей электроники дрейфовых камер, созданных в ПИЯФ для эксперимента LAND в GSI (Германия).
Разработанные и созданные дрейфовые камеры позволяют успешно выполнять физическую программу эксперимента ФЕНИКС и могут выступать в роли прототипа для будущих детекторов.
Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, могут быть сформулированы следующим образом:
1) Получены новые экспериментальные данные, перечисленные в п. 1-5 раздела “Научная новизна работы”.
2) Разработана конструкция и созданы уникальные дрейфовые камеры центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС, обеспечивающие высокое пространственное разрешение (а ~ 120-130 мкм, а,| ~ 1.5-2 мм, аг ~ 1.5 мм) и эффективность (е ~ 90-100 %) сигнальных проволок в условиях высокой множественности заряженных частиц (dN/dy|y=o ~ 1000) и большой частоты ядерных столкновений (~ 5*105 Гц). Эффективность восстановления треков заряженных частиц достигает - 100 % в р+р, d+Au и периферийных Au+Au столкновениях и уменьшается до ~ 80 % в центральных Aui-Au взаимодействиях. Камеры имеют большой активный объем (~ 3 м', - 7 м2) и
обладают модульной структурой, облегчающей производство, сборку и обслуживание детектора.
3. Разработана и реализована оригинальная методика калибровки дрейфовой камеры, которая позволяет достичь высокого углового разрешения а„ = 0.84 мрад для восстановленных треков заряженных частиц. Достигнутая величина углового разрешения соответствует импульсному разрешению
^ = 0.9%Ф 1.0%-р при фиксированном значении интеграла магнитного поля Р
( |ВШ~ 1 Т-м), создаваемого центральным магнитом экспериментальной
установки. Первый член в выражении для импульсного разрешения соответствует вкладу многократного рассеяния в точность измерения импульсов частиц.
Основные положения, выносимые на защиту. В работе показано, что:
1) Факторы ядерной модификации, измеренные для легких нейтральных
мезонов (я0, К!?, г|, о, (р) в б+Аи взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ,
в пределах ошибок измерений равны единице в области поперечных импульсов рт > 2 ГэВ/с, что свидетельствует о слабом влиянии эффектов начального состояния на свойства рождающихся частиц, либо об их взаимной компенсации.
2) В центральных Аи+Ли взаимодействиях при энергии л/^~= 200 ГэВ выход
всех мезонов подавлен в 1.5-5 раз в области поперечных импульсов рг > 2 ГэВ/с относительно выходов тех же частиц, измеренных в р+р столкновениях и отмасштабированных на соответствующее число парных нуклон-нуклонных столкновений. В области больших поперечных импульсов рт > 5-7 ГэВ/с выход всех адронов одинаково подавлен приблизительно в 5 раз. Отсутствие подобного подавления в б+Аи и периферийных Аи+Аи столкновениях, а также отсутствие подавления для “прямых фотонов” в центральных Аи+Аи столкновениях при той же энергии взаимодействия свидетельствует о том, что подавление происходит в результате энергетических потерь жестко рассеянных
16
партонов в плотной среде, образующейся в центральных столкновениях у л ьтрар ел яти в и сгс к и х ядер.
3) Эмпирические оценки величины энергетических потерь партонов, основанные на сравнение спектров рождения тг() - мезонов, измеренных в р+р и Аи+Аи взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ, показывают, что в
наиболее центральных столкновениях величина потерь достигает значения 0.2, что соответствует 20 % потере энергии жестко рассеянного партона. Величина потерь зависит от числа участвующих во взаимодействие нуклонов как И“ ^,
где: а = 0.58 ± 0.07 при рт > 5 ГэВ/с и Кучастк > 20; а = 0.56 ±0.10 при Рх > 10 ГэВ/с и Кучасш > 20. Данные значения параметра а хорошо согласуются со значением а = 2/3, предсказываемым моделями РОМ и ОЬУ.
4) Сравнение результатов измерения степени подавления выхода л° - мезонов в наиболее центральных Аи±Аи взаимодействиях при энергии 7^= 200 ГэВ с предсказаниями трех теоретических моделей (РОМ, вГУ и \УНЕЮ) позволяет оценить значения начальной плотности партонов с1Ыг/с1у и транспортного коэффициента с\ . Соответствующие значения этих величин оказываются равными с\ - 13.215;\ (13.2^) в модели РОМ, бЫ&/бу = 1400^2 (14001555) в модели СЬУ и с1Мё/с!у = 1400^?5 (1400 ’25) в модели \VHDG на уровне одного (двух) среднеквадратичных отклонений. Значения начальной глюонной плотности сШе/с1у, соответствующие моделям вЬУ и \VPIDG, хорошо согласуются с оценками, полученными из других измерений, например множественности частиц или эллиптического потока. Данные значения также позволяют оценить максимальную начальную плотность энергии в центральных Аи+Аи взаимодействиях, Ео « 20 ГэВ/фм3. Данное значение на два порядка превышает величину плотности энергии в холодной ядерной материи. Очень большое значение транспортного коэффициента <д> предполагает, что образующаяся среда наиболее вероятно состоит из сильно взаимодействующих партонов, а не из 1дза квазисвободных частиц.
17
5) Относительный выход (анти)барионов существенно превышает выход мезонов в области промежуточных поперечных импульсов 1.5 < рг (ГэВ/с)< 4.5 в центральных Au+Au взаимодействиях при энергии 200 ГэВ. Данный
эффект проявляется в трехкратном увеличении отношений выходов р/л и р/л с ростом центральности столкновений, а также в существенном различие (3-5 раз) степеней подавления выходов барионов и мезонов в данной кинематической области. Эффекты начального состояния, такие как эффект Кронина, не позволяют описать наблюдаемое различие в выходах (анти)барионов и л - мезонов.
6) Степень подавления выхода ф - мезонов в центральных Au+Au
столкновениях при энергии ^sNN = 200 ГэВ в области промежуточных
поперечных импульсов отличается как от более легких л° и р - мезонов, так и от (анти)барионов, занимая промежуточное положение, но ближе к легким мезонам, чем к (анти)барионам.
7) В d+Au и Au+Au взаимодействиях при энергии -ysNN. = 200 ГэВ не
наблюдается изменений спектральных свойств векторных со и ф - мезонов, которые могли бы ожидаться в случае восстановления киральной симметрии. Интегральные выходы ф - мезона, измеренные в адронном (К+К‘) и дилептонном (eV) каналах распада в Au+Au взаимодействиях при энергии sNN = 200 ГэВ, согласуются в пределах ошибок измерений.
8) Сравнение результатов измерения температур и интегральных выходов ф, л и К - мезонов в р+р, d+Au и Au+Au взаимодействиях при энергии
200 ГэВ свидетельствует о схожести механизмов рождения странных
К - мезонов и ф - мезонов, обладающих скрытой странностью. Постоянство температуры при различной центральности столкновений говорит о слабом влиянии радиального коллективного потока на свойства рождающихся Ф - мезонов, что является следствием малости величины сечения адронных
18
взаимодействий. Результаты измерений также противоречат предсказаниям моделей RQMD и UrQMD, в которых основным механизмом рождения <р - мезонов является коалесцеиция К - мезонов (КК -» ф):
9) Инклюзивные дифференциальные сечения рождения легких мезонов (тс, К,
г|, о, г|’ и ф), измеренные в р+р столкновениях при энергии Vs = 200 ГэВ в области поперечных импульсов 0.2 < рг (ГэВ/с) < 20, в пределах статистических и систематических неопределенностей могут быть описаны функцией Леви при использовании всего девяти параметров. Такая аппроксимация предполагает существование жесткой связи между амплитудами жестких и мягких процессов, а также наличие универсального масштабирования измеренных спектров по поперечной массе. Сечения рождения адронов, измеренные в базовых р+р столкновениях при энергии Vs= 200 ГэВ, могут быть описаны расчетами, выполненными в рамках пертурбативных методов КХД. Это говорит о теоретическом понимании механизмов рождения адронов в области больших поперечных импульсов в нуклон-нуклопиых столкновениях и возможности использования высокоэнергетичных частиц в качестве калибровочных пробников при изучении А+А взаимодействий.
10) Относительные выходы легких мезонов (ш/к0, ф/л°, К°/710, Г|/ТС° и Т]’/п°) в
р+р взаимодействиях при энергии Vs = 200 ГэВ в области больших поперечных импульсов рт > 2-3 ГэВ/c слабо зависят от импульса рождающихся частиц. Аппроксимация отношений константой дает значения равные: со/тс° = 0.81 ± 0.04 (стат.) ± 0.07 (сист.), (р/п° = 0.16 ± 0.01 (стат.) ± 0.02 (сист.), К°/к° = 0.45 ± 0.01 (стат.) ± 0.05 (сист.), r|/7ï0 = 0.48 ± 0.02 (стат.) ± 0.02 (сист.) и
г(у/я0 ~ 0.23 ± 0.01 (стат.) ± 0.01 (сист.). Измеренные отношения определяют относительные вероятности фрагментации партонов в данный тип мезонов. Измеренные отношения плохо согласуются с предсказаниями генератора событий PYTHIA, что свидетельствует о несоответствие параметров модели экспериментальным наблюдениям.
19
11) Созданные дрейфовые камеры центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС, удовлетворяют всем предъявляемым требованиям и обеспечивают высокую эффективность восстановления треков заряженных частиц (~ 100%) и высокое импульсное разрешение (бр/р - 1%-р) в специфических условиях, реализуемых на коллайдере 1Ш1С.
Основные выводы диссертации могут быть сформулированы следующим образом:
1) Близость к единице факторов ядерной модификации, измеренных для легких нейтральных л°, К®, г), со и (р - мезонов в б+Аи взаимодействиях при энергии
= 200 ГэВ в области поперечных импульсов рт > 2 ГэВ/с, свидетельствует
о слабом влиянии эффектов начального состояния на свойства рождающихся частиц, либо об их взаимной компенсации.
2) Эффект охлаждения струй, экспериментально обнаруженный в центральных
Аи+Аи столкновениях при энергии = 200 ГэВ, говорит об образовании в
таких взаимодействиях плотной и горячей ядерной среды, обладающей свойствами, ранее не наблюдаемыми в экспериментах по изучению взаимодействий тяжелых ядер при более низких энергиях
= 4-20 ГэВ. Эффект охлаждения струй возникает в результате
энергетических потерь жестко рассеянных партонов при их распространении в образующейся ядерной среде, которая характеризуется высокой начальной глюонной плотностью (бгубу ~ 1400) и плотностью энергии (ео ~ 20 ГэВ/фм3) и наиболее вероятно состоит из сильно взаимодействующих партонов, а не из газа квазисвободных частиц.
3) В ядро-ядерных взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ в
эксперименте ФЕНИКС не наблюдается признаков восстановления киральной симметрии, которые согласно теоретическим предсказаниям должны проявляться в изменение спектральных свойств легких векторных мезонов, а также в изменение относительных выходов (р - мезонов в адронном (ср —> К'К‘)
20
и диэлектронном (ф —> е+е) каналах распада. Полученные в работе экспериментальные данные устанавливают предел на возможные измерения масс и ширин со и <р - мезонов (<1 МэВ/с2) и противоречат предсказаниям ряда теоретических моделей, предполагающих существенные модификации спектральных свойств векторных мезонов.
4) Экспериментальные измерения, выполненные в центральных Аи+Ли взаимодействиях при энергии у[7^= 200 ГэВ, говорят о том, что:
- в области промежуточных поперечных импульсов 1.5 < рг (ГэВ/с) < 4.5 наблюдается избыточный выход барионов (р и р);
- в области промежуточных поперечных импульсов степень подавления выхода ф - мезонов отличается как от более легких я0 и Г] - мезонов, так и от (анти)барионов, занимая промежуточное положение;
- в области больших поперечных импульсов рт > 5-7 ГэВ/с выход всех адронов (я0, р, со, ф, р и р) подавлен одинаково приблизительно в 5 раз.
Объяснение обнаруженных эффектов требует введения дополнительных механизмов рождения частиц в области промежуточных поперечных импульсов, отличных от фрагментации. Ряд моделей, гидродинамических и рекомбинационных, позволяют продлить диапазон доминирования мягких процессов в область промежуточных поперечных импульсов рг ~ 2-5 ГэВ/с. Основное отличие между подходами заключается в том, что гидродинамические модели предполагают зависимость фактора подавления от массы частиц. В рекомбинационных моделях фактор зависит от числа валентных кварков в адроне. Рекомбинационные модели также предполагают образование теплового источника партонов в столкновениях тяжелых ядер на Ш НС, что является признаком образования КГП. Измерение факторов ядерной модификации для со и ф - мезонов, имеющих два валентных кварка и массы близкие к массе протона (бариона), может позволить разделить вклады различных механизмов в рождение адронов. То, что факторы подавления,
21
измеренные для со и <р - мезонов в центральных Аи+Аи столкновениях, занимают промежуточное положение между более легкими мезонами и барионами, может быть качественно объяснено в рамках гидродинамических и рекомбинационных подходов. При этом остается неопределенным относительный вклад жестких процессов в рождение адронов в области промежуточных поперечных импульсов. Разрешение данной ситуации требует специального теоретического анализа.
5) Созданные дрейфовые камеры центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС удовлетворяют всем предъявляемым требованиям, и позволяют выполнить физическую программу эксперимента ФЕНИКС. Более 80 % всех физических результатов, полученных в эксперименте ФЕНИКС к настоящему времени, были бы недоступны без надежной работы дрейфовых камер. Конструкция камер является перспективной для использования в других экспериментах в области ядерной физики и физики высоких энергий.
Результаты и выводы диссертации можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в физике атомного ядра и элементарных частиц, связанное с экспериментальным обнаружением эффектов охлаждения струй и избыточного выхода барионов, которые указывают на обнаружение нового типа ядерной материи в столкновениях тяжелых ядер на коллайдере 1Ш1С.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обусловливается следующим:
1) Измерения свойств адронов были проведены с использованием экспериментальных данных, полученных в ходе различных физических циклов работы коллайдера ЯНЮ. Данные циклы характеризуются различными конфигурациями магнитного поля центрального магнита, а также характеристиками детекторных подсистем, использованных в анализе. Выход частиц также измерялся в различных каналах распада (со —> п°у и со -*» п°п+п; г) —> уу и г| -> ЛГл'; К°-> п°тс° и (к* + К")/2; я°-> уу и (ль + тг")/2), характеризую-
22
щихся различной кинематикой и эффективностью восстановления в экспериментальной установке. Хорошее согласие между результатами измерений, выполненных для различных физических циклов работы коллайдера ЯН1С и различных каналов распада, свидетельствует о высокой достоверности полученных результатов.
2) Спектры рождения ср - мезонов в р4р, б+Аи и Аи+Аи взаимодействиях измерялись в канале распада ф —> К+К" в рамках трех различных подходов: с идентификацией двух каонов, с идентификацией одного каона и без идентификации заряженных частиц. В пределах ошибок измерений результаты, полученные с использованием трех методик, хорошо согласуются друг с другом. Учитывая, что все три метода характеризуются различными источниками систематических ошибок, совпадение результатов является важным подтверждением правильности проведенных измерений.
3) Детальный анализ работы дрейфовых камер на пучке подтверждает правильность решений, принятых на этапе разработки детектора. Камеры полностью удовлетворяют предъявляемым требованиям.
4) Достоверность результатов также подтверждается их апробацией на международных конференциях и достаточным объемом публикаций в реферируемых научных изданиях.
Личное участие автора. Автор данной работы участвовал в разработке, создании и проведении эксперимента ФЕНИКС, а также в физическом анализе экспериментальных данных и их интерпретации. Автор является координатором деятельности совместной физической группы сотрудников “Лаборатории релятивистской ядерной физики” ОФВЭ ПИЯФ РАН и кафедры “Экспериментальной ядерной физики” ГОУ ВПО СПбГПУ в коллаборации ФЕНИКС. В работах, которые были опубликованы по теме диссертации, вклад автора является определяющим. Основной вклад автора состоит в следующем:
1) Автор предложил и внес решающий вклад в реализацию нового направления исследований в эксперименте ФЕНИКС, а именно в измерение многочастичных
23
распадов легких мезонов, таких как ц -> п°п+п, со Л+тг’, р’ -» г|я+7с‘, со —> 7С°у и КЛ° —> 71°я° в р+р, б+Аи и Аи+Аи взаимодействиях. Данное направление позволило значительно расширить число исследуемых частиц и динамическую область измерений.
2) Автор внес определяющий вклад в измерение свойств векторных со и Ф - мезонов в р+р, б+Аи и Аи+Аи взаимодействиях при различных энергиях и центральностях столкновений. Был предложен и реализован новый метод измерения выхода ф - мезонов в области больших поперечных импульсов без полной идентификации частиц в конечном состоянии.
3) Автор внес существенный вклад в измерение свойств 7Г° И Г| - мезонов в канале распада л°(г|) -» уу в р+р, б+Аи и Аи+Аи взаимодействиях, а также в физическую интерпретацию полученных результатов с целью определения механизмов протекания реакций и свойств среды, образующейся в центральных столкновениях тяжелых ультрарелятивистских ядер.
4) Автор внес определяющий вклад в разработку конструкции и проволочной структуры дрейфовых камер, внес существенный вклад в создание, испытание и запуск камер на пучке в составе экспериментальной установки. При определяющем вкладе автора были созданы системы мониторинга и контроля высокого напряжения и свойств газового наполнения дрейфовых камер, а также их рабочих параметров в ходе эксплуатации. Роль автора в калибровке дрейфовых камер, позволившей достичь проектных рабочих параметров детектора, является решающей.
5) Автор участвовал в экспертной поддержке эксперимента и наборе экспериментальных данных в ходе всех циклов работы коллайдера ЯШС.
Апробация результатов работы. Результаты работы обсуждались автором на семинарах Отделения Физики Высоких Энергий ПИЯФ РАН, на семинарах международной коллаборации ФЕНИКС в БНЛ (США). Автор представлял результаты работы от имени коллаборации ФЕНИКС на Всероссийской молодежном форуме “Интеллектуальный потенциал России - в XXI век”
24
(С.-Петербург, Россия, 1995), Wire Chamber Conference (Вена, Австрия, 1998 г.), Quark Matter (Будапешт, Венгрия, 2005 г.), Quark Matter (Шанхай, Китай, 2006 г.), Strange Quark Matter (Левоча, Словакия, 2007 г.), Ядро (Воронеж, Россия, 2007 г.), Научной сессии-конференции секции ЯФ ОФ1-1 РАН "Физика фундаментальных взаимодействий" (Москва, Россия, 2007 г.), Ядро (Москва, Россия, 2008 г.), PANIC (Эйлат, Израиль, 2008).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 18 печатных работ в реферируемых журналах. В том числе 12 работ из Списка ВАК
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, перечня основных обозначений и сокращений, четырех глав, заключения и перечня цитируемой литературы. Работа содержит 341 страницы машинописного текста, 100 рисунков и 27 таблиц. Перечень цитируемой литературы содержит 410 наименований.
Во введении обосновывается актуальность, сформулированы цели, научная новизна и практическая значимость работы. Представлены основные результаты, выводы и положения, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание основных разделов диссертации.
Первая глава посвящена введению в проблему, даст краткое описание основных процессов и явлений, предсказываемых квантовой хромодинамикой в условиях, когда взаимодействующая ядерная система достигает высоких температур и/или барионных плотностей. Наибольший интерес из них представляют деконфайнмент партонов и восстановление киральной симметрии. Обсуждается, каким образом высокие температуры и/или барионные плотности могут быть достигнуты в лабораторных условиях при изучении взаимодействий тяжелых ядер. Приведено описание ускорительного комплекса коллайдера RI1IC и характеристик сталкиваемых пучков. Представлено описание возможностей и состав экспериментальной установки ФЕНИКС, одного из двух основных экспериментов на коллайдере RHIC.
25
Обсуждаются основные направления физической программы эксперимента, наиболее близкие к теме проводимых в работе исследований.
Во второй главе рассмотрены вопросы разработки, создания, запуска, калибровки и эксплуатации основного детектора трековой системы эксперимента ФЕНИКС - легких фокусирующих дрейфовых камер. Основное предназначение дрейфовых камер заключается в восстановлении треков заряженных частиц и прецизионном измерении их импульсов. Особенности работы детектора заключаются в большой множественности заряженных частиц, достигаемой в центральных столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ядер (dN/dy|y=0 ~ 1000), а также высокой частоте столкновений в случае протон-протонных взаимодействий (~ 10s). Создание подобного детектора являлось совершенно необходимым для успешного выполнения физической программы эксперимента ФЕНИКС.
В работе проводится анализ основных требований, предъявляемых к конструкции и проволочной структуре детектора. Представлено описание методик, использованных для решения поставленных задач, результатов моделирования работы детектора и испытания его прототипов с помощью космических мюонов, а также пучков заряженных частиц на синхрофазотроне в ПИЯФ и синхротроне AGS в БНЛ. Рассматриваются вопросы, связанные с запуском полномасштабных детекторов в составе экспериментальной установки ФЕНИКС, настройки и калибровки детектора. Делается вывод о полном соответствии достигнутых рабочих параметров дрейфовых камер предъявляемым требованиям.
Третья глава посвящена вопросам измерения спектров рождения и свойств легких идентифицированных мезонов (тс°, К*, т|, со, г]’, ф) в р+р, d+Au и
Au+Au взаимодействиях при энергиях л/б~= 62, 200 ГэВ. Данные частицы несут в себе важную информацию о динамике ядерных взаимодействий и свойствах среды, образующейся в центральных столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ядер. Приводится описание разработанных
26
методик контроля качества экспериментальных данных, критериев отбора заряженных и нейтральных частиц, расчета эффективностей триггеров, использованных при наборе данных, анализа экспериментальных данных с целью выделения интересующих сигналов, оценки систематических неопределенностей измерений. Основные сложности проведенных измерений в центральных столкновениях тяжелых ядер связаны с уменьшением эффективности регистрации частиц, необходимостью использования большого числа детекторных подсистем для надежного измерения и идентификации частиц, высокими уровнями комбинаторных фонов, что обусловлено большой множественностью рождающихся частиц.
Представлены новые экспериментальные данные по измерению инклюзивных спектров рождения легких адронов (71°, К° , Г|, (О, Г|’ И ф) по
поперечному импульсу в р+р, сИ-Ли и Аи+Аи взаимодействиях. Выход всех частиц измерялся при энергии нуклон-нуклонных столкновений равной - 200 ГэВ. Характеристики ф - мезонов дополнительно измерялись при
энергии взаимодействия 62 ГэВ. Во взаимодействиях тяжелых ядер
(сН-Аи и Аи+Аи) характеристики частиц измерялись при различной центральности ядерных столкновений. Все измерения были выполнены в области малых быстрот |у| < 0.5, доступной центральным спектрометрам эксперимента ФЕНИКС.
Выход 7С° - мезонов измерялся в доминирующем канале распада п° -> уу во всех взаимодействующих системах в области поперечных импульсов 0.3 < рт (ГэВ/с) < 20. Рождение К® - мезонов было измерено в р+р и с!+Аи взаимодействиях в канале распада > 7г°7Г° при 2.0 < рг (ГэВ/с) < 13. Выход
- мезонов измерялся в двух каналах распада Т| —» у*/, г\ ► п°л+п в р+р, с!+Аи и Аи+Аи взаимодействиях в области импульсов 2.5 < рт (ГэВ/с) <11. Свойства у\* - мезонов изучались в р+р столкновениях в канале со -> цтСтГ при
3.0 < рт (ГэВ/с) <13. Характеристики со - мезонов измерялись в двух различных
27
каналах распада со -» 7с°у и со —» л°л+тс' в р+р, с1+Аи и Аи+Аи столкновениях в области импульсов 2.0 < рт (ГэВ/с) <13. Выход ф - мезонов изучался в двух каналах распада ф -» К+К' и ф -> е+е‘ в р+р, б+Аи и Аи+Аи столкновениях при
1.0 <рт (ГэВ/с) <7.
Четвертая глава посвящена обсуждению полученных экспериментальных результатов и их значимости для качественного и количественного описания свойств ядерной материи в условиях высоких температур, достигаемых в центральных столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ядер на коллайдере Ю-ПС.
Измерения, выполненные в р+р столкновениях, используются в качестве базовых для сравнения с более тяжелыми взаимодействующими системами, а также для проверки и подстройки сечений взаимодействия и функций фрагментации партонов в рамках пертурбативных методов квантовой хромодинамики. В работе также представлены результаты измерения относительных выходов легких мезонов (со/л:0, ср/тс0, К® /тг°, Т]/л° и Г|7л°) в области больших поперечных импульсов, которые по точности и диапазону измерений не имеют аналогов. Относительные выходы легких мезонов в основном известны только из измерений и определяют относительные вероятности фрагментации партонов в данный тип мезонов. В работе также показано, что спектры рождения легких Л, К, Г), 0), Г|’ И ф - мезонов, измеренные в эксперименте ФЕНИКС в р+р столкновениях при энергии \[$= 200 ГэВ, могут быть описаны функцией Леви в широком динамическом диапазоне измерений 0.2 < рт (ГэВ/с) < 20. Близость параметров аппроксимации позволяет описать спектры рождения мезонов, используя всего девять параметров.
Коллективные эффекты в ядро-ядерных взаимодействиях (А+В) анализируются в работе с помощью так называемого фактора ядерной модификации Ялв, определяемого как КАН = (с1Ы/с1рт)А^в - (<ТАВ) * (с!ст/арг)р>р) *, где
функция ТЛ1, связана с числом нуклон-нуклонных столкновений как
28
(Тлп) = {НС1а1(11()/а^, где - полное сечение неупругого нуклон-нуклонного
взаимодействия . Отношения ЯАв для различных частиц получаются путем деления спектров рождения, измеренных для соответствующих частиц в р+р и А+В взаимодействиях при одной и той же энергии элементарных нуклон-нуклонных столкновений и различной центральности столкновений. Перед делением измеренные спектры нормируются на число парных нуклон-нуклониых столкновений <ЫСТО;1ки>> соответствующих каждому классу событий. Значения <Ыстолк„> определяются путем Монте-Карло моделирования отклика экспериментальной установки с применением модели Глаубера ядро-ядерных взаимодействий. Алгоритм описан в первой главе работы. В условиях отсутствия коллективных эффектов А+В взаимодействия являются суперпозицией нуклон-нуклонных столкновений и параметр равен единице. Коллективные ядерные эффекты в начальном и/или конечном состоянии могут нарушать равенство Ядв = 1. Эффекты начального состояния в области малых быстрот могут быть связаны с мягким многократным перерассеянием (эффект Кронина) и модификацией функций распределения партонов. Возможные эффекты конечного состояния могут быть связаны с перерассеянием адронов, а также с образованием горячей и плотной среды в центральных столкновениях тяжелых ультрарелятивистских ядер. Изучение свойств такой среды является основной целью исследований на коллайдере ИГНС. Возможность разделения степени влияния эффектов начального и конечного состояний на свойства рождающихся частиц является принципиально важной для подобного рода исследований.
Эффекты начального состояния изучаются в работе через измерение факторов ядерной модификации для легких мезонов (тс°, К°, г), со, ср) в б+Аи
взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ, в которых не ожидается
образования плотной и горячей ядерной среды. Важный вклад в данные исследования также вносит измерение факторов ядерной модификации для прямых фотонов в центральных Аи+Аи взаимодействиях при той же энергии,
29
выполненные вне рамок дайной работы. Прямые фотоны не участвуют в сильных взаимодействиях и покидают область взаимодействия преимущественно без взаимодействий. В работе показано, что эффекты начального состояния оказывают слабое влияние на свойства рождающихся частиц.
Измерение факторов ядерной модификации для легких адронов (тг°, г], со,
Ф, р, р) в центральных Au+Au взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ
позволяет изучать эффекты конечного состояния, предположительно связанные с образованием плотной и горячей среды в таких столкновениях. В работе показало, что в центральных Au+Au столкновениях выходы всех адронов подавлены приблизительно в пять раз в области больших поперечных импульсов рт > 5-7 ГэВ/с. Обнаруженный эффект является уникальным явлением, которое никогда ранее не наблюдалось в эксперименте. До сих нор, при более низких энергиях взаимодействия ядер, наблюдался обратный эффект избыточного выхода адронов, объясняющийся эффектом Кронина. Обнаружение данного эффекта является одним из основных открытий, сделанных на коллайдере RI IIC.
Наиболее общепринятым объяснением обнаруженного эффекта подавления является процесс энергетических потерь жестко рассеянных партонов в результате упругих перерассеяний и излучения глюонов в плотной среде, образующейся в центральных столкновениях тяжелых ядер. Вследствие того, что спектры рождения адронов по поперечному импульсу имеют форму степенных функций в области больших поперечных импульсов, даже небольшое уменьшение энергии фрагментирующего партона может приводить к существенному уменьшению относительного выхода частиц. В данном случае степень подавления выхода адронов зависит как от величины энергетических потерь, так и от формы спектра. Сравнение факторов Raa, измеренных для ж0 - мезонов, с результатами теоретических расчетов используется в работе для получения численных оценок для величины энергетических потерь жестко рассеянных партонов, начальной плотности цветовых зарядов и энергии,
достигаемых на самых ранних стадиях взаимодействиях, а также транспортных свойств образующейся среды. Полученные значения свидетельствуют об образование в центральных Au+Au столкновениях при энергии -Js^. = 200 ГэВ
среды, обладающей уникальными свойствами, которые не наблюдались в экспериментах по изучению взаимодействий тяжелых ядер при более низких энергиях. Данная среда характеризуется высокой начальной глюонной плотностью (dN£/dy ~ 1400) и плотностью энергии (80 ~ 20 ГэВ/фм3) и наиболее вероятно состоит из сильно взаимодействующих партонов, а не из газа квазисвободных частиц.
Измерение факторов ядерной модификации для легких адронов (я0, г), со, Ф, р, р), а также относительных выходов p/я в Au+Au взаимодействиях при
энергии ^/s~ = 200 ГэВ в области промежуточных поперечных импульсов используется для определения основных механизмов, ответственных за рождение адронов в данной кинематической области. В работе показано, что в области промежуточных поперечных импульсов 1.5 < рт (ГэВ/с) < 4.5 наблюдается избыточный выход барионов (р и р), и степень подавления выхода со и
ср - мезонов отличается как от более легких я0 и rj - мезонов, так и от (анти)барионов, занимая промежуточное положение. Данные наблюдения требуют для своего объяснения введения дополнительных механизмов рождения частиц, отличных от фрагментации. Ряд моделей, гидродинамических и рекомбинационных, позволяют продлить диапазон доминирования мягких процессов в область промежуточных поперечных импульсов 2-5 ГэВ/c. Основное отличие между подходами заключается в том, что гидродинамические модели предполагают зависимость фактора Raa от массы частиц. В рекомбинационных моделях КАА зависит от числа валентных кварков в адроне. В настоящее время не существует модели, которая бы позволяла в полной мере описать всю совокупность наблюдаемых в
31
эксперименте эффектов. Результаты измерений требуют дальнейшего теоретического изучения.
Измерения спектральных свойств векторных со и ф - мезонов, а также относительных выходов ф - мезона в адронном (ф->К+К") и дилептонном (ср—>е+е') каналах распада используются в работе для поиска возможных признаков восстановления киральной симметрии, которое согласно расчетам КХД па решетке должно сопровождать фазовый переход. Легкие векторные мезоны, обладающие малыми временами жизни, могут распадаться во времена, когда взаимодействующая система все еще находится в исследуемом фазовом состоянии (т — 10 фм/с), и нести отпечаток воздействия среды на параметры частиц. Ряд теоретических моделей предсказывает, что спектральные свойства векторных мезонов, такие как масса и ширина, могут быть подвержены изменениям в условиях высокой плотности и температуры, а сами изменения могут служить важными сигналами восстановления киральной симметрии. Особый интерес к ф - мезону также обусловлен тем, что его масса лишь немногим больше массы двух К - мезонов (Ат ~ 32.6 МэВ/с2). Поэтому даже небольшие изменения в спектральных свойствах ф или К - мезонов могут повлиять на относительный выход ф - мезонов в ICK' и е'е" каналы распада. Уникальное свойство эксперимента ФЕНИКС заключается в возможности измерения как лептонных, так и адронных распадов легких векторных мезонов. Поиск возможных модификаций свойств легких векторных мезонов входит в физическую программу многих экспериментов по изучению р+А и А+А взаимодействий при различных энергиях. В работе представлен обзор современного состояния дел в данной области исследований.
В работе показано, спектральные свойства со и ф - мезонов в р+р, d+Au и
Au+Au взаимодействиях при энергии Л/sNN = 200 ГэВ, измеренные в адронных
каналах распада, хорошо согласуются с табличными значениями. Также, в пределах достаточно больших неопределенностей дилептонных измерений, не
32
наблюдается различий в выходах ф - мезона в е+е' и К4К' распадах. Таким образом, при достигнутой точности измерений в эксперименте ФЕНИКС не наблюдается признаков изменения спектральных свойств легких векторных мезонов и/или изменения относительных выходов ф - мезона в различные каналы распада, которые могли бы быть связаны с восстановлением киральной симметрии во взаимодействиях тяжелых ультрарелятивистских ядер.
Сравнение температур и интегральных выходов, измеренных для л, К и Ф - мезонов в р+р, б+Аи и Аи+Аи взаимодействиях при энергии 7^= 200 ГэВ, используется в работе для изучения механизмов рождения частиц. В элементарных р+р столкновениях рождение ф - мезона подавлено вследствие действия правила ОкиЬо-7ууе1§-Пгика. В столкновениях релятивистских тяжелых ядер наблюдается существенное увеличение выхода ф - мезонов по сравнению с р+р столкновениями. Природа данного эффекта пока не достаточно хорошо понята. В ряде моделей, таких как 1КЗМ1) и иК^МО, основным механизмом рождения ф - мезонов является коалссценция К - мезонов (КК —> ф). При этом предсказывается, что отношение ф/К должно увеличиваться с ростом центральности столкновений. Кроме того, ф - мезон обладает малым сечением адронных взаимодействий и покидает область взаимодействия преимущественно без перерассеяния с вторичными адронами. Вес это делает ф - мезон привлекательным объектом для изучения механизмов рождения частиц. В работе показано, что отношение ф/я не испытывает существенных изменений и не зависит от центральности Аи+Аи взаимодействий. Подобное поведение отношения ф/я сильно отличается от того, что наблюдалось при более низких энергиях взаимодействия
= 4-20 ГэВ. Отношение ф/я при энергии = 200 ГэВ резко увеличивается при переходе от р+р и б+Аи столкновений к периферийным Аи+Аи взаимодействиям. Подобный скачок не наблюдается в отношении К/я. Отношение ф/К также не претерпевает существенных изменений с увеличением
- Київ+380960830922