Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Иванов, Андрей Сергеевич

• Иванов, Андрей Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванов, Андрей Сергеевич

Введение

1 Коллективные и корреляционные эффекты в протон-протонных и ядро-ядерных взаимодействиях

1.1 Введение.

1.2 Струнная модель.

1.3 Слияние струн.

1.4 Корреляции множественности и среднего поперечного импульса в модели слияния струн

1.5 Корреляции рг — Л^ в нуклон-нуклонных столкновениях

1.6 Исследование эффектов взаимодействия струн при помощи дальних корреляций.

2 Определение числа нуклонов-участников в модифицированной модели Глаубера

2.1 Модель Глаубера как основа обработки экспериментальных данных тяжелоионных столкновений.

2.1.1 Основы модели Глаубера для ядро-ядерных столкновений

2.1.2 Глауберовская модель и определение центральности в эксперименте

2.2 Модифицированная модель Глаубера

2.2.1 Эффективный учет сохранения энергии.

2.2.2 Численная реализация модифицированной глауберовской модели

2.2.3 Определение параметра К.

2.3 Описание эффекта Nw -скэйлинга в рамках модифицированной глауберовской модели

2.3.1 Число нуклон-нуклонных столкновений

2.4 Физический смысл параметра К.

2.4.1 Эффективный учет закона сохранения энергии

2.4.2 Эффект Nw -скэйлинга в Модифицированной Глауберовской модели

2.5 Выводы к главе

3 Методика поиска корреляционных эффектов на основе экспериментальных данных коллаборации ALICE на БАК

3.1 Большой Адронный Коллайдер (BAK,LHC).

3.2 Экспериментальная установка ALICE.

3.3 Детекторы ALICE, используемые для определения дальних корреляций

3.4 Типы обрабатываемых данных: ESD, TAG, Kinematics

3.5 Моделирование экспериментальных данных ALICE.

3.6 GRID- система распределенного хранения и обработки экспериментальных данных Alien.*.

3.7 Определение измеряемых величин.

3.8 Пакет анализа дальних корреляций в AHROOT.

3.9 Накопление данных корреляционных зависимостей.

3.10 Обработка экспериментальных данных.

3.11 Определение пределов зоны отбора по pt.

3.12 Выводы к главе

4 Результаты и обсуждение модельных расчетов

4.1 Анализ экспериментальных данных ALICE рр 900 ГэВ.

4.2 Зависимость корреляций от ширины окон и зазора между ними

4.3 Выводы из главы 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дальние корреляции и коллективность в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях»

Актуальность работы

Доступные в настоящее время экспериментальные данные по протон-ядерным и ядро-ядерным столкновениям при релятивистских энергиях указывают на новые эффекты, ненаблюдаемые в протон-протонных взаимодействиях. На спектр частиц, образующихся в ядро-ядерных столкновениях, оказывают влияние различные процессы, относящиеся как к начальному, так и конечному этапу взаимодействия, включая возможное образование кварк-глюонной плазмы (КГП).

К явлениям, которые могут определять начальные моменты столкновения релятивистких адронов и условия для последующего возникновения КГП, можно отнести процессы образования кварк-глюонных струн, позволяющие описать большинство эффектов, наблюдаемых в мягкой части спектра поперечных импульсов в протон-протонных столкновениях. С увеличением энергии столкновения и/или массы сталкивающихся ядер ожидается рост плотности струн в поперечной плоскости, что приводит к необходимости рассматривать также возможное взаимодействие между струнами в виде их слияния или перколяции. Важным следствием модели слияния струн [11] является предсказание корреляций между основными наблюдаемыми величинами, такими как множественность и средний поперечный импульс, измеренными в разнесенных по быстроте интервалах -дальних корреляций.

Экспериментальные исследования данных корреляционных эффектов в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях БАК, вошедшие в экспериментальную программу коллаборации ALICE, позволят получить дополнительную информацию о процессах взаимодействия струн.

Теоретические исследования дальних корреляций в протон-протонных и ядро-ядерных столкновениях [14] показывают зависимость коэффициентов корреляции, в том числе, и от дисперсии числа струн. В случае тяжелоионных взаимодействий число струн, в большой степени, определяется геометрическими параметрами каждого столкновения, такими как прицельный параметр и число нуклонов - участников (Nw ), вычисляемое в модели Глаубера. Определение Nw посредством измерения числа нуклонов - спектаторов калориметрами является единственным прямым методом получения информации о геометрии столкновения в эксперименте. Детальное исследование дисперсии Nw и прицельного параметра, а также их взаимной корреляции, является важным этапом интерпретации экспериментальных данных по дальним корреляциям в ядро-ядерных взаимодействиях.

Актуальность темы данных исследований определяется тем, что детальные исследования дальних корреляций в рамках современного эксперимента позволят существенно расширить представления о процессах протон-протонных и ядро-ядерных столкновений и исследовать начальные этапы образования КГП, а также привести к открытию нового физического явления слияния кварк-глюонных струн.

Цели и задачи работы

Основными целями данной диссертационной работы являются:

1. Модификация модели Глаубера для ядро-ядерных взаимодействий [34] с целью получения описания полной множественности заряженных частиц в протон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях, а также эффекта Nw -скэйлинга, в рамках картины последовательных нуклон-нуклонных взаимодействий. Данная модель может быть использована для получения уточненных значений дисперсии Nw и прицельного параметра.

2. Разработка методики анализа экспериментальных данных колла-борации ALICE по протон-протонным и ядро-ядерным взаимодействиям для поиска корреляций между основными наблюдаемыми величинами в разнесенных быстротных окнах, а также применение данной методики к анализу данных по протон-протонным столкновениям при энергии 900ГэВ.

Для достижения данной цели был сформулирован ряд задач, к ним относятся:

1. Анализ доступных экспериментальных данных RHIC по полной множественности заряженных частиц в AuAu столкновениях на основе как стандартной модели Глаубера, так и в рамках оригинальной модификации, основанной на гипотезе потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях.

2. Подбор параметров модифицированной модели Глаубера с целью описания наблюдаемого в экспериментальных данных RHIC масштабирования полной множественности заряженных частиц с числом нуклонов-участников.

3. Разработка методики анализа экспериментальных данных по корреляциям Nch — Nch,pt — Nc^pt ~ Pt Для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ в эксперименте ALICE на LHC.

4. Разработка ПО на основе систем GRID (LCG) и ROOT(AliROOT) и тестирование алгоритмов поиска дальних корреляций Nch — NchiPt — Nch,pt — Pt , предназначенных для анализа данных в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протонпротонных и ядро-ядерных столкновениях в эксперименте ALICE на LHC .

5. Анализ первых экспериментальных данных по корреляциям Nch — NchiVt — NCh,pt — pt для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ в эксперименте ALICE на LHC.

Научная новизна работы

1. Предложена оригинальная модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях ("Модифицированная глауберовская модель").

2. В рамках данной модели получено описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для РЪРЪ, AuAu,dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC.

3. Получено описание эффекта масштабирования общей множественности заряженных частиц в дейтрон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях коллайдера RHIC.

4. Определены условия отбора событий и треков, обеспечивающие оптимальное извлечение информации о корреляционных зависимостях из экспериментальных данных ALICE по протон-протонным столкновениям при энергии 900 ГэВ.

5. Впервые получены экспериментальные данные по корреляциям Nch - Nch , pt — Nch и pt - pt в разнесенных по псевдобыстроте окнах для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ.

Научная и практическая значимость работы

Полученные данные по Nch - Nch , pt - Nch и pt - Pt корреляциям в разнесенных по псевдобыстроте окнах для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ являются новым экспериментальным результатом. Разработанная в данной работе методика позволит произвести анализ эффекта дальних корреляций на основе экспериментальных данных колаборации ALICE по РЪРЪ столкновениям, ожидаемых в 2010г. Полученные на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса уточненные значения дисперсий Ncoi и Nw позволят произвести сравнение с теоретическими моделями, использующими эти величины для вычисления числа струн. Детальное изучение дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях при энергиях LHC позволит получить информацию о процессе слияния хромодинамических струн.

Апробация

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах кафедры ядерной физики и физики высоких энергий и элементарных частиц Санкт-Петербургского Государственного Университета, а также на рабочих совещаниях коллаборации ALICE в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Женеве (Швейцария 2006,2007,2008,2010 г.) , на международном семинаре "Focus on multiplicitynB Бари (Италия, июнь 2004 г.), на международном научно-практическом семинаре "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах"в Санкт-Петербурге (Россия, декабрь 2006 г.), на конференциях "Распределенные вычисления в науке и образовании"в ОИЯИ (Дубна 2006,2008г.), на Балдинском семинаре в Объединенном Институте Ядерных Исследований (Россия 2006, 2008 г.), а также международном семинаре "Particle Correlations and Femtoscopy'B ЦЕРН (2009г.)

Публикации по теме диссертации

1. The ALICE Collaboration,First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged-particle pseudorapidity density at л/s = 900 GeV // Eur. Phys. J. С (2010) 65: 111-125

2. The ALICE Collaboration , The ALICE experiment at the CERN LHC // 2008 JINST 3 S08002

3. G.Feofilov and A.Ivanov, Number of nucleon-nucleon collisions vs. energy in modified Glauber calculations // Journal of Physics G CS, 5, (2005)230-237

4. Иванов А. С., Феофилов Г. А. Множественное рождение заряженных частиц в зависимости от центральности рА и АА-столкновений при энергиях от 19 до 200 ГэВ на нуклон и прогноз для ALICE на БАК // Вестник СПбГУ, Сер. 4, 2009, Вып. 3, 117

5. The ALICE Collaboration, ALICE: Physics Performance Report, Volume II. Section: Long-range correlations // Journal of Physics G, Nuclear and Particle Physics, Vol 32 Number 10 October 2006, p. 1749-1750

6. G. Feofilov, A. Ivanov, Multiparticle production in pA and AA collisions in the framework of modified Glauber model // Proceedings of the XVII International Baldin Seminar of High Energy Physics Problems (Dubna, September 2006) Vol 2, p95-100

7. A. Asryan, G. Feofilov, A.Grebenyuck, A. Ivanov, V. Vechernin, Long-range multiplicity correlation for pp collisions in ALICE at LHC// Proceedings of the XIX International Baldin Seminar of High Energy Physics Problems (Dubna, September 2008) Vol 2 p.208-214

8. Асрян А.Г., Галюк Ю.П., Зароченцев А.К., Иванов А.С., Немнюгин С.А., Феофилов Г.А., "Моделирование и обработка данных в физике высоких энергий и квантовой химии в среде

ARC (Nordugrid) Материалы шестого международного научно-практического семинара "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах Санкт-Петербург, декабрь 2006 г., с. 38-45.

9. G.A.Feofilov, A.S.Ivanov, P.A.Naumenko, A.K.Zarochentsev, University cluster RU-SPBSU integrated into russian segment of WLCG: installation and performance // Proceedings of Third international Conférence "Distributed Computing and GRID-technologies in science and éducation Dubna, July 4, 2008, pl48-151

Вклад автора

Автором разработана модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях ("Модифицированная глауберовская модель") а также проведены численные расчеты в рамках данной модели.

Автору принадлежит разработка методик и ПО анализа экспериментальных данных коллаборации ALICE для поиска и исследования эффекта дальних корреляций, за исключением основополагающих идей и алгоритмов постобработки двумерных гистограмм. А также применение данной методики к анализу данных по протон-протонным столкновениям при энергии 900ГэВ и определение условия отбора событий и треков, обеспечивающие оптимальное извлечение информации о корреляционных зависимостях из экспериментальных данных.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 121 страницу, 18 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 53 наименования.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Иванов, Андрей Сергеевич

Итоги работы:

1. Предложена оригинальная модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных столкновениях.

2. В рамках данной модели получено описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для PbPb, АиАи, dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC в зависимости от числа нуклонов-участников.

3. Получено описание эффекта масштабирования общей множественности заряженных частиц в дейтрон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях коллайдера RHIC.

4. Разработанная модель может быть использована для получения уточненных значений дисперсии Nw и прицельного параметра.

5. Разработаны методики и ПО для извлечения из экспериментальных данных ALICE информации о корреляциях Nch — Nch , pt — Nch и Pt~ Pt в разнесенных по псевдобыстроте окнах.

6. На основании использования результатов моделирования процессов взаимодействия частиц с установкой и откликов детекторов определены критерии отбора событий и треков, , обеспечивающие оптимальное извлечение информации о корреляционных зависимостях из экспериментальных данных ALICE рр 900 ГэВ.

7. Показано, что использование относительных переменных позволяет минимизировать влияние установки и определить коэффициенты корреляции в основной области исследований \г]\ < 0.8,0.3 < Pt < 1.5 на основе данных, получаемых с детекторов ITS и ТРС.

8. Впервые получены экспериментальные данные по корреляциям NCh — Nch,pt — NchiPt — Pt Для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ.

9. Обнаружены отличные от нуля NCh — Nch , pt — Nch и pt — Pt корреляции в разнесенных по псевдобыстроте окнах.

10. Коэффициенты NCh — Nch ,pt — Nch ,pt — pt корреляции отличны от нуля в всем диапазоне псевдобыстроты, доступном для измерения используемыми детекторами (\rj\ < 0.8).

11. Коэффициенты Л^ — NCh,pt — Nch,pt — Pt корреляции отличны от нуля при расстояниях между окнами не менее 1.4 единиц псевдобыстроты.

12. Обнаружена зависимость коэффициента Nch — Nch корреляции от ширины псевдобыстротных окон и зазора между ними.

13. Обнаруженные корреляции свидетельствуют о возможных коллективных эффектах, связанных со слиянием цветных струн в протон-протонных столкновениях при энергиях 900ГэВ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложена оригинальная модель взаимодействия тяжелых ионов на основе гипотезы потери лидирующей частицей фиксированной доли импульса в последовательных элементарных нуклон-нуклонных столкновениях, позволяющая получить количественное описание экспериментальных данных по общей множественности заряженных частиц для центральных РЬРЬ, AuAu, dAu и рХе столкновений при энергиях от AGS до RHIC.

2. Получено описание эффекта масштабирования общей множественности заряженных частиц в дейтрон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях при энергиях коллайдера RHIC в рамках гипотезы потери фиксированной доли импульса нуклона в упрощенной картине последовательных неупругих нуклон-нуклонных столкновений.

3. Получены первые экспериментальные данные по корреляциям Nch — Nch,Pt — Nch,pt — Pt Для заряженных частиц в раздельных псевдобыстротных интервалах (окнах) для протон-протонных столкновений при энергии 900 ГэВ. Коэффициенты Л^ — Nch,pt — Nch,Pt — Pt корреляции отличны от нуля при расстояниях между окнами не менее 1.4 единиц псевдобыстроты. Использование относительных переменных позволяет минимизировать влияние установки и определить коэффициенты корреляции в основной области исследований \г]\ < 0.8,0.3 < pt < 1.5 с использованием данных детекторов ITS и ТРС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванов, Андрей Сергеевич, 2010 год

1. Физика элементарных частиц, Окунь Л.Б., 2 изд., Москва, Наука 1988

2. Capella A and Krzywicki А 1978 Phys. Rev. D 18 4120

3. Capella A, Sukhatme U, Tan С I and Tran Thanh Van J 1979 Phys. Lett. В 81 68

4. Capella A, Sukhatme U, Tan С I and Tran Thanh Van J 1994 Phys. Rept. 236 225

5. Kaidalov А В 1982 Phys. Lett. В 116 459

6. Kaidalov А В and Ter-Martirosian К A 1982 Phys. Lett. В 117 247

7. K.A.Ter-Martirosyan, Nucl. Phys. В 36 (1972) 566

8. В. Anderson, G. Gustavson and C. Peterson, Z. Phys. CI (1979) 105

9. X. Artru and G. Mennessier Nucl. Phys. B70 (1974) 93

10. B.A. Абрамовский, О.В. Канчели, Письма в ЖЭТФ, т.31, 566, 1980

11. М. Braun and С. Pajares Nucl. Phys. B390(1993)542

12. M.A. Braun, С. Pajares and V. Vechernin, Phys. Lett. B493 (2000) 54

13. A. Bolokhov, M. Braun, G. Feofilov et al, CERN Internal Note/PHY ALICE-INT-2002-20 1.0

14. Вечернин В.В., Колеватов Р.С., Вестник Санкт-Петербургского Университета, серия 4 (Физика, Химия), вып. 2, р 12, hep-ph/0304295

15. C.M.G. Latters, Y. Fujimoto, S. Hasegawa, Phys. Rep. 65 (1980) 151

16. N. Armesto, D. Derkach, G.A. Feofilov, Ядерная Физика, 2008, том 71, №12, с. 2122-2131; Physics of Atomic Nuclei, 71,No.l2, 2087-2095(2008).

17. T. Anticic et al. (NA49 Collaboration), Phys. Rev. C70 (2004) 034902

18. A. Breakstone et al. (ABCDHW Collaboration), Phys. Lett. B132 (1983) 463

19. C. Albajar et al. (UA1 Collaboration), Nucl. Phys. B335 (1990) 261

20. F. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 1819

21. C. De Marzo et al., Phys. Rev. D29 (1984) 363

22. G. Arnison et al. (UA1 Collaboration), Phys. Lett. B118 (1982) 167

23. V.V. Aivazyan et al., Phys.Lett. B209 (1988) 103

24. T. Alexopoulos et al., Phys. Lett. B336 (1994) 599

25. T. Sjöstrand, L. Lönnblad, S. Mrenna, P. Skands, hep-ph/0308153

26. T. Sjöstrand, hep-ph/0611247, CERN-LCGAPP-2006-06, November 2006

27. D. Acosta et al., Phys. Rev. D 65 (2002) 072005;

28. M.A. Braun and C. Pajares, Phys. Lett. 287B (1992) 154

29. N.S. Amelin, N. Armesto, C. Pajares and D. Sousa, hep-ph/0103060

30. N. Amelin, N. Armesto, C. Pajares, D. Sousa, Eur. Phys. J. C 22, 149-163 (2001)

31. N.S. Amelin, M.A. Braun, C. Pajares, Z. Phys. C63 (1994) 507-516

32. N. Amelin, N. Armesto, C. Pajares, D. Sousa, Eur. Phys. J C22 (2001) 149-163

33. N.S. Amelin, M.A. Braun and C. Pajares, Phys. Lett. B306 (1993) 312;

34. N. Armesto, M.A. Braun, E.G. Ferreiro and C. Pajares, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3736;

35. Bialas A, Bleszynski M, Czyz W, 976 Nucl.Phys. B 111 461

36. Wong Cheuk-Yin, 1994, Introduction to High-Energy Heavy-Ion Collisions World Scientific Singapoure-new Jersey-London-Hong Kong

37. G.Feofilov and A.Ivanov, Journal of Physics Conference Series, 5, (2005)230-237

38. Иванов А. С., Феофилов Г. А. Вестник СПбГУ, Сер. 4 2009. Вып. 3 117

39. Particle Data Group, Review of Particle Physics, 1998 The European Phys. Journ. С 3 203 and 207

40. P.V. Chliapnikov, V.A. Uvarov, Phys.Lett. B251, 192 (1990).

41. B.Back et al. (PHOBOS), arXiv:nucl-ex/0301017

42. R.Nouicer (for the PHOBOS Collaboration), QM2005, Pseudorapidity Distributions of Charged Particles in d + Au and p + p Collisions at sqrt(s) = 200 GeV, arXiv:nucl-ex/0403033

43. С.De Marzo et al., Phys.Rev.D, Vol, 29 No.ll, (1984),2476-2482

44. LHC at CERN http://lhc.web.cern.ch/lhc/

45. ALICE at CERN LHC http://aliceinfo.cern.ch/

46. Програмный комплекс AliROOT http://aliceinfo.cern. ch/Offline/AliRoot/Manual.html

47. Распределенная вычислительная среда AliEn http: //alimonitor.cern.ch/map.j sp

48. The ALICE Collaboration, К Aamodt et al 2008 JINST 3 S08002

49. ALICE Collaboration, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 32 (2006) 1295-2040

50. Michael Schmelling, Nucl.Instrum.Meth. A340:400-412,199452. V. Blobel, hep-ex/0208022

51. Список модельных данных ALICE http:Walimonitor.cern. ch\jobdetails.j sp