ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 7, с. 988-991
УДК 539.126.3
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И АДРОННЫЕ СИГНАТУРЫ КВАРК-ГЛЮОННОЙ ПЛАЗМЫ В СТОЛКНОВЕНИЯХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ПРИ ЭНЕРГИИ 62.4 ГэВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ФЕНИКС НА КОЛЛАЙДЕРЕ RHIC
© 2013 г. Я. А. Бердников, Д. А. Иванищев, Д. О. Котов, В. Г. Рябов, Ю. Г. Рябов, В. М. Самсонов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" E-mail: dm_kotov@phmf.spbstu.ru
Мотивацией для изучения кварк-глюонной плазмы при энергиях порядка 20—100 ГэВ является более детальное изучение фазовой диаграммы состояния квантово-хромодинамической материи и поиск критической точки перехода к деконфайнменту. Экспериментом ФЕНИКС на коллайдере RHIC были измерены факторы ядерной модификации для протонов, п0- и ф-мезонов при энергии
столкновения ядер Л = 62.4 ГэВ. Обсуждается возможность регистрации электромагнитных признаков образования кварк-глюонной плазмы инновационным детектором HBD.
DOI: 10.7868/S0367676513070041
ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействия тяжелых релятивистских ионов являются одним из методов получения сверхплотного ядерного вещества в лабораторных условиях. Кинетическая энергия налетающих частиц рассеивается в большом объеме ядерного вещества, вовлеченного в реакцию, и взаимодействующая система переходит из состояния нуклонов, содержащих связанные кварки и глюоны, в состояние свободных кварков и глюонов, которое называют кварк-глюонной плазмой (КГП) [1]. Одна из основных задач — это поиск признаков, которые были бы присущи только кварк-глюонной плазме, чтобы это новое состояние вещества можно было выделить из "обычной физики" релятивистских соударений.
Одним из основных открытий, сделанных на релятивистском роллайдере тяжелых ионов (КН1С) [2] в БНЛ (США) к настоящему времени, стало обнаружение эффекта подавления выхода адронов в области больших поперечных импульсов в центральных столкновениях тяжелых ядер при энергии Л = 200 ГэВ [1]. Подавление наблюдается по отношению к выходу идентичных частиц, рождающихся в элементарных протон-протонных столкновениях. Отсутствие подобного подавления для прямых фотонов [3], а также для адронов [4], образующихся во взаимодействиях легких ядер дейтерия с тяжелыми ядрами золота при энергии л/з = = 200 ГэВ, свидетельствует о том, что эффект подавления (так называемое гашение струй) есть
следствие взаимодействия частиц в конечном состоянии, которое возникает в результате образования плотной и горячей цветовой среды в столкновениях тяжелых ядер.
Результаты, полученные на синхротроне SPS в ЦЕРНе (Швейцария) при энергиях взаимодействия ядер от 4 до 20 ГэВ [5, 6], наоборот, свидетельствовали об избыточном выходе адронов, что наиболее часто объяснялось эффектом Кронина [7]. Для того чтобы выяснить, в какой области энергий эффект гашения струй начинает превалировать над эффектом Кронина, на коллайдере RHIC был проведен специальный физический цикл работ при энергии взаимодействия ядер 62.4 ГэВ.
Особое положение среди наблюдаемых признаков образования КГП занимают дилептоны — коррелированные пары разнозаряженных лепто-нов. Лептонные пары, рожденные на стадии КГП, образуются в результате аннигиляции кварков и антикварков, поэтому они чувствительны к тепловому распределению кварков и антикварков в плазме [8]. Анализ выхода лептонных пар несет ценную информацию о признаках восстановления киральной симметрии и осуществляется через измерение модификаций масс, ширин, вероятностей рождения легких р-, ю-, и ф-мезонов.
Первые экспериментальные данные по рождению дилептонных пар были получены в конце 1980-х годов на установке DLS (Dilepton Spectrometer, Беркли, США) [9]. Данные, представленные коллаборацией DLS, указывали на значительное превышение выхода дилептонов малых
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И АДРОННЫЕ СИГНАТУРЫ
989
масс по сравнению с ожидаемым выходом пар от далиц-распадов я0- и п-мезонов. Эти результаты послужили мотивацией для изучения дилептон-ного спектра при более высоких энергиях взаимодействия ядер.
ФЕНИКС [10] — это единственный эксперимент на коллайдере RHIC [2], который может проводить высокоточные измерения выходов ди-лептонных пар. В 2007 г. избыточный выход ди-лептонных пар был обнаружен во взаимодействиях ядер золота при энергии Vs = 200 ГэВ [8]. Установка ФЕНИКС детально описана в [10]. С целью расширить возможности по измерению выходов дилептонных пар в 2010 г. в экспериментальную установку ФЕНИКС была интегрирована дополнительная детекторная подсистема нового поколения — HBD (Hadron Blind Detector) [11], основная задача которой — отсев электронов, возникших в результате конверсий фотонов и далиц-распадов, на основании величины угла раскрытия пары леп-тонов.
ФАКТОРЫ ЯДЕРНОЙ МОДИФИКАЦИИ
Коллективные эффекты в ядро-ядерных (А+А) взаимодействиях изучаются при помощи фактора ядерной модификации RAA, определяемого как
Raa (Рт) = dNA«NcoU) x dNpp), (1)
где dNAA (dNpp ) — выход частиц в A+A (p+p)-столкновениях в заданном интервале по поперечному импульсу, а (Ncoll) — число парных неупругих нуклон-нуклонных столкновений в А+А-взаимо-действии. В условиях отсутствия коллективных эффектов А+А-взаимодействия в области больших поперечных импульсов являются суперпозицией p+p-столкновений (RAA ~ 1). В противном случае факторы ядерной модификации могут принимать значения отличные от единицы, что говорит о подавлении или избытке выхода частиц по отношению к p+p-взаимодействиям.
На рис. 1 представлены сравнения факторов ядерной модификации, для ф, я0-мезонов и протонов, измеренных в столкновениях ядер меди и
золота при энергии = 62.4 ГэВ. В области промежуточных поперечных импульсов выход протонов избыточен, а для ф-мезонов подавление отсутствует. Выход я°-мезонов подавлен в области промежуточных и больших поперечных импульсов. Поведение факторов ядерной модификации
Raa, измеренных при энергии Vs = 62.4 ГэВ, аналогично поведению RAA в ядро-ядерных взаимодействиях при энергии 200 ГэВ [12]. При этом абсолютные значения факторов RAA отличаются от значений, полученных при энергии взаимодействия ядер Vs = 200 ГэВ. По-видимому, как и при энергии
R
AA
-
.-•¿í^-V""
12 3 4
pT, ГэВ/с
Рис. 1. Зависимость факторов ядерной модификации
Raa от поперечного импульса Рт для ф-, я°-мезонов и
протонов, измеренная в центральных (0—10% для п0-мезонов и протонов, 0—20% для ф-мезонов) AuAu- (а) и (0—10%) CuCu-взаимодействиях (б) при энергии
= 62.4 ГэВ. Условные обозначения на точках в виде вертикальных "усов" и серых горизонтальных "прямоугольников" соответствуют статистическим и систематическим ошибкам измерений соответственно. Вертикальные "прямоугольники" вблизи оси ординат соответствует величине неопределенности
{Ncoü).
взаимодействия л/з = 200 ГэВ, рождение адронов в области промежуточных поперечных импульсов
при энергии взаимодействия ядер л/л = 62.4 ГэВ определяется рекомбинацией тепловых и ливневых партонов [13].
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫХОДА ДИЭЛЕКТРОННЫХ ПАР ПРИ ПОМОЩИ ДЕТЕКТОРА ИВЭ
Прибор ИВЭ представляет собой детектор че-ренковского света, в котором в качестве радиатора и рабочего газа используется тетрафторид углерода. Детектор состоит из двух полуцилиндрических объемов, заполненных газом (рис. 2а), каждый из которых охватывает сектор в 135° по азимутальному углу и 45 ед. по псевдобыстроте. В конструкции детектора не предусмотрены окна или зеркала, и черенковский свет создает изображение прямо на фотокатоде (вдоль траектории движения частицы).
а
3
2
l
0
3
2
l
0
990
БЕРДНИКОВ и др.
[(1/2npt)][d2N/(dy/dpt)], (ГэВ/с)-102
10
Рис. 2. Конструкция (а) и принцип работы (б) детектора HBD: 1 — угол раскрытия электрон-позитрон-ной пары; 2 — сетка; 3 — слой CsI (350 нм); 4 — GEM; 5 — пады; 6 — фотоэлектрон; 7 — вектор напряженности электрического поля.
Отсчеты 106
104
102
100
0.5 1.5 2.5 3.5 4.5
m(e+e-), ГэВ/с2
Рис. 3. Спектр инвариантной массы электрон-пози-тронных пар, измеренный с помощью данных детектора НБВ эксперимента ФЕНИКС во взаимодействиях ядер золота при энергии -Л = 62.4 ГэВ. Вертикальные отрезки соответствуют статистическим ошибкам измерений.
Последний представляет собой трехслойный газовый электронный умножитель GEM [11]. На его верхний слой методом напыления нанесен слой иодида цезия. Три слоя GEM-детекторов (4) обеспечивают газовое усиление, а считывание сигналов проводится с гексагональных па-дов (5) площадью 6.2 см2. Детектор состоит из 20 однотипных модулей.
Адроны с импульсом, меньшим 10 ГэВ/с, не излучают черенковского света, проходя через активный объем детектора. Электроны ионизации, возникающие при прохождении адронов, дрейфуют в сторону, противоположную катоду. Для этого в активном объеме детектора создается соответствующее распределение электрического поля с помощью специальной сетки (2) (рис. 2б), поэтому детектор практически "не видит" адро-нов, что и получило отражение в его названии (blind — слепой).
10-
10-
10
10
10
13
г
л л\
д\\
- Г 3 /
' 4 /
- 5 6 1, 2
-
г 7'/
■ 111111111111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г-1
0 2 4 6 8
Р, ГэВ/с
Рис. 4. Оцененные вклады в "коктейль" электрон-по-зитронных пар: сумма всех вкладов (1), вклад от электронов конверсии (2), лептонные распады мезонов п°(3), Л (4), ш (5), Л' (б), Ф (7), р (8).
На рис. 3 представлен спектр инвариантной массы электрон-позитронных пар (за вычетом комбинаторного фона), измеренный с помощью данных детектора НБЭ в столкновениях ядер золота при энергии 41 = 62.4 ГэВ. Форма указанного фона была оценена методом смешивания событий, а качество его воспроизведения определялось путем сравнения спектров инвариантной массы, измеренных для е+е+- и е-е—пар в реальных и смешанных событиях. Как можно видеть из рис. 3, в спектре инвариантной массы электрон-позитрон-ных пар пока не удается выделить пики, соответствующие распаду ю-, р- и ф-мезонов. Тем не менее в области масс ~3.1 ГэВ/с2 виден широкий пик, соответствующий распадам //^-мезонов.
Для поиска различных сигналов, связанных с возникновением колле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.