Содержание
Введение..............................................................4
1 Ультра периферические столкновении тяжелых ядер....................11
1.1 Метод виртуальных фотонов......................................11
1.2 Эквивалентный поток фотонов....................................14
1.3 Фотон при высоких энергиях.....................................18
1.4 Померон-померонные взаимодействия..............................21
1.5 Эксклюзивное рождение векторных мезонов в ультрапериферических ядро-ядерных столкновениях...........................................21
1.6 Образование р°-мезонов в dAu столкновениях.....................27
2. Моделирование образования векторных мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона.............29
3 Регистрация ультрапериферических столкновений тяжелых ионов на установке STAR.......................................................37
3.1 Ускоритель RIНС................................................38
3.2 Калориметр нулевых углов.......................................41
3.3 Детектор STAR..................................................43
3.3.1 STAR магнит...............................................44
3.3.2 Времяппрокционная камера STAR.............................45
3.3.3 Дополнительные детекторы..................................47
3.4 Триггерная система.............................................48
3.4.1 Триггеры аппаратных средств ЭВМ (L0 - L2).................49
3.4.2 On-line реконструкция событий (Триггер 3 уровня)..........50
3.4.3 Триггеры для ультрапериферических взаимодействий..........51
4 Анализ экспериментальных данных.....................................53
4.1 Набор экспериментальной статистики..............................53
4.2 Оценка светимости...............................................54
4.3 Отбор событий...................................................58
4.3.1 Идентификация пионных пар.................................58
4.3.2 Критерий отбора треков частиц.............................58
4.3.3 Идентификация частиц по ионизационным потерям.............59
4.3.4 Ограничения на вершину....................................61
4.3.5 Отбор событий с помощью ТЪС...............................62
4.3.6 Дополнительные ограничения................................64
4.4 Монте-Карловское моделирование событий..........................65
4.5 Эффективность при отборе событий................................66
4.6 Распределения по поперечному импульсу...........................68
4.7 Распределения по инвариантной массе пионных пар.................71
4.8 Сечение образования р° -мезона..................................83
4.9 Оценка систематических ошибок...................................85
4.10 Дифференциальное сечение (1(7/Л................................90
Заключение..........................................................92
Благодарности.......................................................93
Список литературы....................................................94
Введение
Диссертация посвящена измерению сечения образования р°-мезонов и его кинематических характеристик на релятивистском ускорителе тяжелых ионов (RHIC) в эксперименте STAR. Экспериментальная статистика набрана в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона в фо-тон-померонных взаимодействиях при энергии в системе центра масс
фхх = 200 ГэВ/нуклон.
Ультрапериферические ядро-ядерные столкновения - новое и перспективное направление в релятивистской ядерной физике - за последние четыре года получило развитие на релятивистском ускорителе тяжелых ионов RHIC. Стоит отметить, что центральной задачей физической программы RHIC является изучение ядерного вещества при высоких температурах и плотностях. В этих состояниях, как ожидается, ядерное вещество кардинально меняет свои свойства по сравнению с обычным ядериым веществом: изменяются характеристики адронов, возникают коллективные взаимодействия, а также возможно формирование нового состояния ядерной материи - кварк-глюонной плазмы [1]. Другая фундаментальная задача, которую исследуют на ускорителе RHIC, - изучение спиновой структуры нуклона. Как известно, полный спин протона 1/2 представляет собой сумму вкладов спинов конституентных кварков адронов, их углового момента и спина глюонов. В настоящем понимании спина нуклона, кварки вносят только 1/3 от полного значения спина, и вкладом глюонов в спиновую составляющую пренебрегать нельзя [2], поскольку на сегодняшний день не существует прямых способов его измерения. С помощью столкновений поляризованных пучков протонов на ускорителе RMIC, планируется детально изучить вклад спина глюона в спин нуклона.
і
Следует отметить, что экспериментальная программа на RHIC является продолжением программы по столкновению ядер на SPS CERN [3]. В свою очередь, как ожидается, в 2007-2008 годах начнет работу LHC (ЦЕРН). В рамках этого проекта также предусмотрена программа по столкновениям релятивистских ядер РЬ с энергий до 5.5 ТэВ/нуклон.
Очевидно, что максимальная начальная плотность энергии реализуется при центральных столкновениях ядер, когда величина прицельного параметра много меньше радиусов сталкивающихся ядер (для золота и свинца /?й6-г7фм). Поскольку центральные столкновения ядер являются достаточно редкими событиями, подавляющее большинство взаимодействий -периферические с прицельным параметром b> 1 фм.
В работе рассматриваются процессы, которые занимают особое место среди периферических взаимодействий, — так называемые ультраперифе-рические взаимодействия, которые происходят с прицельным параметром b> R4 + Rn, где Ra и Rß - радиусы сталкивающихся ядер, т.е. такие взаимодействия, при которых ядра практически не перекрываются. При таких прицельных параметрах сильные взаимодействия уже не являются доминирующими, поскольку ядерная плотность уже достаточно мала. Конкуренцию сильным взаимодействиям могут составить когерентные фотон-фотонные, фотон-померонные и померон-померонные взаимодействия ядер. Когерентность для фотонных полей означает, что поле связано целиком с зарядом ядра, а не с зарядами отдельных протонов, входящих в состав ядра. В данных процессах возможно образование широкого класса частиц: от лептонных пар и векторных мезонов, до суперсимметричных частиц и бозона Хиггса. Все реакции при ультрапериферическом взаимодействии ядер можно изучать экспериментально при малой множественности частиц и небольших поперечных импульсах.
Несмотря на то, что померон изучается уже в течение 20 лег, природа его до сих пор остается неясной.
Впервые померон был введен в Редже-полюсной модели сильного взаимодействия. Для объяснения экспериментальных значений сечений образования адронов, следует допустить существование полюса в единице, который называется вакуумным или полюсом Померанчука /\ а соответствующий реджсон - помероном.
Согласно теории, померон является переносчиком сильных взаимодействий, по бесцветным и имеет квантовые числа вакуума )?с= 0++.
В теории существует два подхода к описанию померона - это так называемый “мягкий” померон, который имеет малый (З2 и “жесткий” померон,
"У 'У о
С большим 0“ (р-»Л~), где 0 - импульс, переносимый помероном при взаимодействии ядер, а Л- массовый параметр КХД.
Мягкий померон связан с вычислением полного сечения взаимодействия частиц. Например, для фотон-померонного взаимодействия, фотон можно описать как состояние «голого» фотона плюс некоторой флуктуации сщ. Когда ядро поглощает часть волновой функции фотона, еду пара становится доминирующей. Эта пара может упруго рассеяться на ядре и, таким образом, появится реальный векторный мезон.
Жесткий померон обычно представляют как состояние из двух или нескольких глюонов. Но и здесь существует несколько вариантов описания померона. Наиболее признанными считаются Донахыо-Ландиюфт померон [4], где глюон имеет структурную функцию и ВРКЬ померон [5], который состоит из бесконечной глюонной лестницы.
В электромагнитных процессах частицы рождаются с малыми поперечными импульсами, что позволяет отличить их от частиц, рожденных за счет сильных взаимодействий. Характерные поперечные импульсы таких частиц - порядка нескольких сотен МэВ. В системе покоя ядра фотои, померон или мезон, когерентно связанный с ядром, должен иметь поперечный импульс р]<\/11{. В коллайдерном режиме столкновения, когда
6
ядра Лоренц-сжаты в продольном направлении в у раз (у - Лоренц-фактор движущегося ядра), энергия фотонов ограничена E = p[[<y/Ri. Поэтому два ядерных когерентных поля имеют максимальную энергию к -2у/Ra и поперечный импульс рх < 2//?,.
В условиях RIПС / = 100, поэтому максимальная энергия двух когерентных фотонов для ядер Ли™ составляет = 6 ГэВ. Таким образом, в когерентных ядерных взаимодействиях в условиях RIIIC можно образовать частицу (частицы) с массой, меньшей 6 ГэВ. В условиях LHC у -3000, и доступная область рожденных масс простирается до 300 ГэВ.
Стоит отмстить, что электромагнитные процессы при столь высоких энергиях на ускорителях изучаются впервые.
Кроме взаимодействия фотонов одного ядра с померонами другого ядра, возможны процессы, в которых фотоны одного ядра взаимодействуют с фотонами другого ядра. В таких событиях может изучаться двухфотонная физика [6, 7, 8].
В этих работах рассмотрено рождение частиц в фотон-фотоных взаимодействиях, рассчитаны сечения данных процессов, проведен анализ зависимости сечения образования частиц от прицельного параметра. При изучении двухфотоиных процессов, особое внимание уделяется мезониой спектроскопии. В работах [6, 7, 8] получены сечения рождения различных мезонов, начиная от пионов и заканчивая Хиггс бозоном.
Тем не менее, если сравнивать фотон-фотоиные и фотон-померонные взаимодействия, то в последних процессах сечения рождения частиц на порядок больше, чем в первых. Фотон-померонные процессы подробно рассмотрены в работах [9, 10J. Таким образом, в ультраперифсричсских взаимодействиях тяжелых ионов фотон-померонные взаимодействия будут преобладать над двухфотонными.
- Київ+380960830922