ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2013, том 76, № 10, с. 1258-1266
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
РОЖДЕНИЕ ЧАРМОНИЯ В ПРОТОН-ПРОТОННЫХ СТОЛКНОВЕНИЯХ И СТОЛКНОВЕНИЯХ ЯДЕР СВИНЦА В ЦЕРНе И СРАВНЕНИЕ С ДАННЫМИ БРУКХЕЙВЕНА
(© 2013 г. Н. С. Топильская*
Институт ядерных исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 03.04.2012 г.; после доработки 22.01.2013 г.
Представлен обзор экспериментальных данных по рождению чармония, измеренных в экспериментах с фиксированной мишенью на синхротроне (SPS) и в pp- и PbPb- столкновениях на пучках Большого адронного коллайдера (LHC) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). Проведено сравнение с данными, полученными на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Измерение подавления рождения J/ф-мезонов в качестве возможного сигнала образования кварк-глюонной плазмы было предложено в 1986 г. в работе Т. Матсуя и Г. Сатца. "Аномальное" подавление рождения J/ф-мезонов было открыто Коллаборацией NA50 (SPS, ЦЕРН) в центральных столкновениях ядер свинца при энергии 158 ГэВ/нуклон. Данные эксперимента ФЕНИКС (PHENIX) на коллайдере RHIC при энергии 200 ГэВ/нуклон в с.ц.м. нуклонов указывают на то, что подавление рождения J/ф при этих энергиях в зависимости от множественности примерно соответствует подавлению рождения J/ф в столкновениях ядер свинца на ускорителе SPS. Теоретические модели с учетом регенерации J/ф-мезонов описывают экспериментальные данные RHIC лучше. Измерение рождения чармония на пучках LHC в pp-и PbPb-столкновениях показало важность учета процесса регенерации. Кроме того, необходимо учитывать также вклад от распада В-мезона при энергиях LHC. Будущие измерения рождения чармония с большей статистической точностью и в расширенном диапазоне энергий на LHC важны для понимания механизма процесса рождения чармония и изучения свойств материи при высоких плотностях энергии и температуры.
DOI: 10.7868/S004400271310022X
1. РОЖДЕНИЕ J/ф-МЕЗОНОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ SPS
Подавление рождения J/ф-мезонов в результате дебаевского цветного экранирования в плотной ядерной среде было предложено в качестве возможного сигнала образования кварк-глюонной плазмы при столкновении тяжелых ионов высокой энергии [1]. Исследование рождения состояний чармония по распаду на два мюона разного знака было начато в эксперименте NA38 на синхротроне SPS (ЦЕРН) при энергии 200 ГэВ/нуклон и продолжено в экспериментах NA50 и NA60 при энергии 158 ГэВ/нуклон.
Было обнаружено нормальное ядерное поглощение J/ф-мезонов в ^-столкновениях (одинаковое сечение поглощения на нуклон для всех ядер при данной энергии) и усиленное, "аномальное" подавление в центральных столкновениях ядер свинца при энергии 158 ГэВ/нуклон. Величина нормального ядерного поглощения при
E-mail: topilska@inr.ru
взаимодействии J/ф-мезонов с нуклонами ядра была получена из анализа pA-данных при 400 и 450 ГэВ, и в предположении слабой энергетической зависимости и в рамках модели Глаубера она составляла величину ст3ь5 = 4.2 ± 0.5 мбн. Обзор экспериментальных данных, полученных на SPS в экспериментах NA38 и NA50, приведен в работе [2]. В эксперименте NA60 в pA-столкновениях при энергии 158 и 400 ГэВ было показано, что имеется существенная энергетическая зависимость aabs и, следовательно, очень важно проводить измерения рождения чармония в pp, pA и AA-столкновениях в одинаковых кинематических условиях [3—5]. Была получена величина aabs (400 ГэВ) = 4.3 ± ± 0.8(стат.) ± 0.6(сист.) мбн в согласии с результатами эксперимента NA50 при энергии 400 ГэВ. Но при 158 ГэВ сечение поглощения составляло CTabs(158 ГэВ) = 7.6 ± 0.7(стат.) ± 0.6(сист.) мбн. Эффекты подавления рождения J/ф-мезонов в холодной ядерной материи (CNM) включают в себя не только поглощение чармония в конечном состоянии, но и эффекты взаимодействия в на-
Л v (измер.)/о//у (теор.) 1.2-
1.0
0.8
0.6
-Ы
W
HF
4 Ф
NA50 PbPb NA60 InIn
j_i_i_l_
100
200
300
400 N
part
Рис. 1. [3] Отношение измеренного и теоретического сечений рождения J/ф-мезонов при учете сечения поглощения в холодной ядерной материи в зависимости от числа нуклонов-участников Лр^. Данные эксперимента ЫЛ60 для 1п1п-столкновений (■) и эксперимента ЫЛ50 для РЬРЬ-столкновений (А) при энергии 158 ГэВ/нуклон. Вертикальные линии — статистические ошибки. Темный прямоугольник справа соответствует неопределенности в абсолютной нормировке 1п1п-данных. Светлые прямоугольники — систематические ошибки при определении центральных событий для 1п1п-столкновений.
чальном состоянии. К эффектам взаимодействия в начальном состоянии относится, во-первых, эффект экранирования (shadowing), т. е. изменение функции распределения партонов в ядре по сравнению с распределением в нуклоне. Во-вторых, необходимо учитывать также энергетические потери партона при прохождении через вещество. В то время как ядерная модификация плотностей кварков и антикварков относительно хорошо измерена в ядерных глубоконеупругих реакциях, ядерная модификация глюонных плотностей прямо не измерялась. Существующие параметризации эффекта экранирования получены с использованием модельных предположений при описании ядерных партонных плотностей и дают очень широкий диапазон значений. При учете эффекта экранирования с использованием параметризации EKS98 [6] сечение поглощения J/^-мезонов увеличивается и составляет aabs(158 ГэВ) = 9.3 ± ± 0.7(стат.) ± 0.7(сист.) мбн при энергии 158 ГэВ и o-abs(400 ГэВ) = 6.0 ± 0.9(стат.) ± 0.7(сист.) мбн при 400 ГэВ. Использование параметризации EKS08 [7] дает дополнительное увеличение сечения поглощения J/0-мезонов на 5—10%.
Для столкновений ядер индия, измеренных в эксперименте NA60 при энергии 158 ГэВ/нуклон, величина "аномального" поглощения J/^-мезонов
в центральных событиях с новым сечением поглощения CTabs(158 ГэВ) довольно мала. Однако для центральных событий PbPb-столкновений в эксперименте NA50 при той же энергии 158 ГэВ/нуклон величина "аномального" подавления остается порядка 20—30% (рис. 1).
2. РОЖДЕНИЕ J/^-МЕЗОНОВ НА КОЛЛАЙДЕРЕ RHIC
В эксперименте PHENIX на коллайдере RHIC было измерено сечение рождения J/^-мезонов в рр, dAu, AuAu и CuCu-столкновениях при энергии s/s = 200 ГэВ [8—11]. В до-столкновениях изучался механизм рождения J/^-мезонов, а также эти измерения являлись основой для понимания dAu- и AuAu-данных. Измерения dAu-столкновений позволяли изучать физические процессы рождения J/ф в ядерной среде и эффекты холодной ядерной материи (CNM).
Величина подавления рождения J/^-мезонов определяется отношением сечения рождения J/ф-мезонов в АА-столкновениях, нормированного на число бинарных столкновений нуклонов Ncoii, к сечению рождения в pp-столкновениях. Это так называемый фактор ядерной модификации, Raa = dNaa/dy/(dNpp/dy(Ncoii)), который используется для сравнения экспериментальных данных в зависимости от центральности взаимодействия, множественности, числа нуклонов-участников Npart, поперечного импульса и т.д. В эксперименте PHENIX подавление рождения J/^-мезонов в AuAu-столкновениях в области быстроты 1.2 < \y\ < 2.2 оказалось существенно больше, чем подавление в диапазоне быстроты \y\ < 0.35 [8, 11] (рис. 2). Для самых центральных столкновений подавление рождения J/^-мезонов составляет величину порядка 80%. Появились теоретические модели, хорошо описывающие результаты эксперимента PHENIX и их зависимость от быстроты с учетом и без учета регенерации J/ф-мезонов [12—15]. Однако их предсказания сечений рождения чармония при энергиях LHC сильно различаются — от сильного подавления в модели [14] до усиления рождения [15]. В эксперименте STAR на коллайдере RHIC также измерялось подавление рождения J/^-мезонов в AuAu-столкновениях при больших поперечных импульсах рт > 5 ГэВ/c в центральной области быстроты. Подавление рождения J/^-мезонов в эксперименте STAR меньше, чем в эксперименте PHENIX, и составляет величину порядка 50% для самых центральных столкновений [16], но экспериментальные ошибки в измерениях эксперимента STAR существенно больше, чем в эксперименте PHENIX.
raa 1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
■ 2004 г. AuAu, M < 0.35, сист. ош. = ±12% • 2007 г. AuAu, 1.2 < jyj < 2.2, сист. ош. = ±9.2%
ffi S
s
0
100
200
300
400
N
part
Raa/Raa(CNM)
1.4r
1.2
Рис. 2. [11] Фактор ядерной модификации RAA сечений рождения J/ф-мезонов, полученный в эксперименте PHENIX в AuAu-столкновениях при энергии s/s = 200 ГэВ, в зависимости от числа нуклонов-участников Npart, измеренный в диапазонах быстроты \y\ < 0.35 (■) и 1.2 < \y\ < 2.2 (•). Здесь и на рис. 8, 9, 11, 12 вертикальные линии — статистические ошибки. Прямоугольники вокруг точек — систематические ошибки определения величины RAA.
Для учета эффектов холодной ядерной среды dAu, pAu и AuAu-данные эксперимента PHENIX были проанализированы совместно. Сечение поглощения J/ф-мезонов в холодной ядерной материи в pAu- и dAu-столкновениях в измеряемых диапазонах быстроты вычислялось в рамках модели Глаубера, при этом экранирование партонов учитывалось в модели EKS98. В рамках той же модели Глаубера с полученным сечением поглощения и учетом экранирования был рассчитан фактор ядерной модификации в AuAu-столкновениях для холодной ядерной среды RAA(CNM) [17]. Отношение Raa/Raa(CNM) дает величину "аномального" подавления рождения J/ф-мезонов в горячей и плотной ядерной материи, образующейся в столкновениях ультрарелятивистских ядер. При энергии s/s = 200 ГэВ отношение RAa/Raa(CNM), т.е. "аномальное" подавление рождения J/ф-мезонов в AuAu-столкновениях, становится примерно одинаковым для разных диапазонов быстроты и достигает величины порядка 50% для самых центральных столкновений [ 17].
Сравнение данных, полученных в экспериментах NA50, NA60 и PHENIX, показывает, что "аномальное" подавление рождения J/ф-мезонов в AuAu-столкновениях при энергии коллайдера RHIC y/s = 200 ГэВ в зависимости от множественности, пропорциональной достигнутой плотности энергии, такое же, как для InIn- и PbPb-столкновений при энергии SPS 158 ГэВ/нуклон
1.0
0.8
0.6
0.4
EKS98 CNM • PHENIX AuAu, у = 0
■ NA60 InIn
A NA50 PbPb
ffl
200 400 60
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.