ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 2, с. 414-424
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ЦЕНТАВР-СОБЫТИИ И СТРЕНДЖЛЕТОВ В СТОЛКНОВЕНИЯХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ
А. Л. С. Ангелис
2)
© 2004 г. С. А. Садовский1)*, Ю. В. Харлов1), Е. Гладыш-Дзядуш3), В. Л. Коротких4), Г. Мавроманолакис2), А. Д. Панайоту2)
Поступила в редакцию 18.09.2002 г.; после доработки 21.03.2003 г.
Обсуждается феноменологическая модель образования Центавр-событий в релятивистских столкновениях тяжелых ионов. Модель дает количественные предсказания кинематических наблюдаемых, ба-рионного числа и массы Центавр-файербола и его продуктов распада. Центавр-файербол распадается в основном на нуклоны, странные гипероны и, возможно, стренджлеты. Проведено моделирование Центавр-событий для детектора CASTOR в столкновениях Pb + Pb при энергии LHC. Детально обсуждаются сигнатуры этих событий.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящей работе мы представляем Монте-Карло модель образования Центавр-событий [1,2] в релятивистских столкновениях ядер, основанную на феноменологической модели, описанной ранее в работах [3—6]. Вначале Монте-Карло модель была применена для моделирования образования Центавр-событий и изучения возможности их регистрации в детекторе CASTOR, разработанном для эксперимента ALICE [7] на большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН при энергии л/s = = 5.5 A ТэВ в столкновениях ядер свинца. Однако позже стало ясно, что инфраструктура эксперимента CMS [8] больше подходит для проведения такого типа исследований, и было принято решение о проведении этих экспериментов в рамках CMS.
Первоначально модель образования Центавр-событий была основана на экспериментальных фактах, известных из изучения космических лучей. Наблюдаемые экспериментально характеристики, такие, как множественности, поперечные импульсы, энергетические спектры и распределение по псевдобыстротам вторичных частиц, позволили определить эволюцию Центавр-файербола, в соответствии с которой вычислялись термодинамические параметры и время жизни Центавр-файербола. Экстраполяция этой модели на более
''Институт физики высоких энергий, Протвино, Россия.
2'Отделение физики ядер и частиц, Отдел физики, Афинский университет, Греция.
3'Лаборатория физики высоких энергий, Институт ядерной
физики, Краков, Польша.
4'Научно-исследовательский институт ядерной физики
Московского государственного университета, Россия. E-mail: sadovsky@mx.ihep.su
высокие энергии позволила оценить некоторые наблюдаемые Центавр-событий при энергиях ускорителя ШС с учетом коллайдерной кинематики [9].
В настоящем подходе мы попытались более точно предсказать характеристики Центавр-событий, а также дать количественное описание исходной феноменологической модели образования этих событий в ядерных столкновениях в предположении некоторых фундаментальных характеристик Центавр-файербола, приводящих к более детальным предсказаниям наблюдаемых этих событий. Модель сформулирована в терминах прицельного параметра ядро-ядерного столкновения, двух термодинамических параметров (бариохимического потенциала и температуры), которые приписываются Центавр-файерболу, и степени ядерного торможения. Для того чтобы построить полностью количественную модель, мы формализовали все допущения исходной модели и ввели некоторые новые. Генератор событий, разработанный в рамках этой модели и названный СЫСЕЫ (СеМаиго СЕЫега1;ог)5), вычисляет параметры Центавр-файербола и моделирует полную конфигурацию события. Модель воспроизводит все кинематические параметры Центавр-событий, которые наблюдались в экспериментах с космическими лучами.
В первом разделе статьи даны термодинамическое и кинематическое описания образования и эволюции событий типа Центавр в релятивистских ядерных столкновениях и рассчитаны некоторые характеристики событий, такие, как масса, распределения по энергии и множественности.
5)Код программы — генератора событий СЫОЕЫ может быть получен по запросу, посланному по адресу: kharlov@mx.ihep.su
Во втором разделе мы представляем результаты по регистрации таких событий в детекторе CASTOR. Центавр-события сравниваются с обычными событиями, смоделированными генератором событий HIJING [10]. Обсуждаются сигнатуры Центавр-событий.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИ ЦЕНТАВР-СОБЫТИЙ
Эволюция Центавр-файербола. Феноменологическое описание Центавр-событий было впервые предложено в работах [3—5]. В соответствии с этой моделью Центавр-события образуются в ядерных столкновениях в области фрагментации налетающего ядра при прохождении этого ядра через ядро мишени. При этом кинетическая энергия налетающего ядра переходит в тепловую, образуя умеренно нагретую кварковую материю с высоким бариохимическим потенциалом, состоящую вначале из кварков ядер, участвующих во взаимодействии [4, 5]. Эта кварковая материя называется первоначальным Центавр-файерболом. На первой стадии своей эволюции файербол состоит только из кварков u, d и глюонов. Высокий бариохими-ческий потенциал не позволяет глюонам фрагмен-тировать в кварк-антикварковые пары uU и dd из-за запрета Паули [4]. Поэтому глюоны фраг-ментируют в ss-пары, в результате чего наступает частичное химическое равновесие. В процессе достижения равновесия s-кварки связываются с u- и d-кварками, образуя K +- и K0-мезоны, которые излучаются из первоначального файербола, уменьшая этим его температуру и энтропию. После излучения K-мезонов файербол становится странной кварковой материей (СКМ) с относительно большим временем жизни (т ~ 10_9 с) [11]. В случае образования Центавр-событий в космических лучах это позволяет файерболу СКМ проникать в атмосферу до высоты на уровне гор. Механизм разделения странности [12] может привести к тому, что странные кварки в СКМ-файерболе аккумулируются в одной или нескольких малых областях внутри его. Затем СКМ-файербол распадается взрывным образом на барионы, включая странные гипероны и легкие ( A > 6) объекты странной квар-ковой материи (стренджлеты).
Барионное число Центавр-файербола. Рассмотрим столкновения ядер с атомными весами Ai и A2 и зарядами Z1 и Z2 соответственно. Прицельный параметр ограничен естественным условием
0 <b<Ri + R2,
где Ri = 1.15A1/3 Фм (i = 1, 2) — радиусы сталкивающихся ядер. Центавр-файербол образуется в области перекрытия ядер. Мы предполагаем,
что все нуклоны налетающего ядра из области перекрытия участвуют во взаимодействии и определяют барионное число файербола. Таким образом, барионное число N файербола может быть оценено из простых геометрических рассуждений. Предполагая равномерное распределение нуклонов в ядре, можно получить N через отношение объемов участвующей во взаимодействии области налетающего ядра и всего ядра в целом VI:
МЬ = 0.9А^, (1)
где фактор 0.9 введен для исключения вклада в N от границы перекрывающейся области.
Естественно предположить, что ядра пучка и мишени распределены равномерно в поперечной плоскости, т.е. квадрат прицельного параметра Ь2 распределен равномерно. Это предположение определяет форму всех дальнейших распределений, представленных в настоящей работе. Все зарегистрированные в космических лучах Центавр-события имели высокую множественность адронов > 70), следовательно, мы ограничим образование Центавр-файербола условием N > 50.
В нашей количественной модели мы делаем далее простое допущение, что каждое ядро-ядерное столкновение приводит к образованию Центавр-файербола с одинаковыми термодинамическими характеристиками. Это допущение является разумным при небольших изменениях прицельного параметра. Центральные столкновения ядер должны приводить к образованию Центавр-файербола чаще, чем периферические, из-за их большего ба-рионного состава. Поэтому распределения, показанные в настоящей работе, были вычислены для столкновений РЬ + РЬ с прицельными параметрами 0 <Ь < 5 Фм.
Распределение барионного числа Центавр-файербола, образованного в столкновениях РЬ + + РЬ при л/в = 5.5 А ТэВ, показано на рис. 1. Распределение, как и все другие распределения в настоящей работе, выражено в произвольных единицах.
Масса Центавр-файербола. Центавр-файербол представляет собой сгусток кварковой материи в условиях деконфайнмента, характеризующейся температурой Т и бариохимическим потенциалом нуклона ц,ь. Как предсказывает феноменологическая модель [4, 5], файербол обладает высоким ба-риохимическим потенциалом, что подавляет образование и- и (¿-кварков. Начальная фаза эволюции файербола является нестабильной, и в течение времени ~ 10"23 с [5] глюоны фрагментируют в пары, после чего наступает химическое равновесие. В первом порядке пертурбативной КХД плотность энергии образовавшейся кварк-глюонной плазмы,
f(Nb) 3000
2000
1000
140
160
180
200
Nb
Рис. 1. Распределение барионного числа Центавр-файербола в столкновениях Pb + Pb с прицельными параметрами 0 < b < 5 Фм.
состоящей из и, 1 и 5-кварков и глюонов, при температуре Т вблизи критической температуры Тс определяется выражением [13, 14]
£ = £д + £д + Е8 .
Здесь q = и, 1. Вклады глюонов £д и кварков £д, £5 равны соответственно:
^ =
15
7^/ 50 \ Л.О^О 3 4
21п
х I 1--а,
п
2п 2'
£s = Ys
+ 6
18Т4
п 2
ms T
п
(?) * m
+
где Ki — модифицированные функции Бесселя ¿-го порядка. Сильная константа связи as должна быть взята при масштабе Q ж 2пТ. При критической температуре Tc = 170 МэВ as = 0.3 [13]. Параметр Ys является фактором равновесия странности (ys ж ж 0.4). Средняя плотность энергии для всех степеней свободы равна:
£ =
37ТГ2 4 30
, 110 ,
+ ( 3ß2 T2 +
2п 2
ßq
1 - -as ) + es. п
f(Mfb) 16000
12000 -
8000 4000 0
200
400 600
Mfb, ГэВ
Рис. 2. Распределение массы Центавр-файербола, образованного в столкновениях РЬ + РЬ при у/в = = 5.5 А ТэВ, ¡1Ъ = 1.8 ГэВ и Т = 130 (сплошная кривая), 190 (штриховая кривая) и 250 МэВ (точечная кривая).
P и плотность кварков nq = Nq/Vfb, которые определяются из плотности энергии (2):
р=ь,
nq
(д/От'
(3)
3
nq = 2 [iqT¿ +
п
, 2
1--а,
п
Поскольку число кварков
первоначально-
го Центавр-файербола определяется геометрией столкновения как N = 3Ж5, из (1) и (3) можно получить объем файербола ^ь в первом порядке
по as:
Mb =
3Nb
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.