Образование ṗ-мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона при энергиях 200 ГЭВ/нуклон в эксперименте STAR тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Тимошенко, Сергей Леонидович

• Тимошенко, Сергей Леонидович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тимошенко, Сергей Леонидович

Введение.

1 Ультрапериферические столкновения тяжелых ядер.

1.1 Метод виртуальных фотонов.

1.2 Эквивалентный поток фотонов.

1.3 Фотон при высоких энергиях.

1.4 Померон-померонные взаимодействия.

1.5 Эксклюзивное рождение векторных мезонов в ультрапериферических ядро-ядерных столкновениях.

1.6 Образование р° -мезонов в dAи столкновениях.

2. Моделирование образования векторных мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона.

3 Регистрация ультрапериферических столкновений тяжелых ионов на установке STAR.

3.1 Ускоритель RIIIC.

3.2 Калориметр нулевых углов.

3.3 Детектор STAR.

3.3.1 STAR магнит.

3.3.2 Времяппрокционная камера STAR.

3.3.3 Дополнительные детекторы.

3.4 Триггерная система.

3.4.1 Триггеры аппаратных средств ЭВМ (L0 - L2).

3.4.2 On-line реконструкция событий (Триггер 3 уровня).

3.4.3 Триггеры для ультрапериферических взаимодействий.

4 Анализ экспериментальных данных.

4.1 Набор экспериментальной статистики.

4.2 Оценка светимости.

4.3 Отбор событий.

4.3.1 Идентификация пионных пар.

4.3.2 Критерий отбора треков частиц.

4.3.3 Идентификация частиц по ионизационным потерям.

4.3.4 Ограничения на вершину.

4.3.5 Отбор событий с помощью ZDC.

4.3.6 Дополнительные ограничения.

4.4 Монте-Карловское моделирование событий.

4.5 Эффективность при отборе событий.

4.6 Распределения по поперечному импульсу.

4.7 Распределения по инвариантной массе пионных пар.

4.8 Сечение образования р° -мезона.

4.9 Оценка систематических ошибок.

4.10 Дифференциальное сечение с1а/&.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Образование ṗ-мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона при энергиях 200 ГЭВ/нуклон в эксперименте STAR»

Диссертация посвящена измерению сечения образования -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 yjsw = 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 ядерным 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 RIIIC, планируется детально изучить вклад спина глюона в спин нуклона.

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 ЯШ6-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 ультрапериферические взаимодействия, которые происходят с прицельным параметром b> R4 + Rb, где Ra и RB - 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 Р, а соответствующий реджеон - помероном.

Согласно теории, померон является переносчиком сильных взаимодействий, но бесцветным и имеет квантовые числа вакуума

В теории существует два подхода к описанию померона - это так называемый "мягкий" померон, который имеет малый С? и "жесткий" померон,

9 2 9 с большим СГ (С> »л ), где 0 - импульс, переносимый помероном при взаимодействии ядер, а А- 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, сщ 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-Ландшофт 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 фотон, померон или мезон, когерентно связанный с ядром, должен иметь поперечный импульс р{ <1 В коллайдерном режиме столкновения, когда ядра Лоренц-сжаты в продольном направлении в у раз (у - Лоренц-фактор движущегося ядра), энергия фотонов ограничена Е = рп<у/К4.

Поэтому два ядерных когерентных поля имеют максимальную энергию к = 2у/И1 и поперечный импульс р. <2//?,.

В условиях ШПС /-100, поэтому максимальная энергия двух когерентных фотонов для ядер Ли91 составляет -6ГэВ. Таким образом, в когерентных ядерных взаимодействиях в условиях ШИС можно образовать частицу (частицы) с массой, меньшей 6 ГэВ. В условиях ЬНС у-3000, и доступная область рожденных масс простирается до 300 ГэВ.

Стоит отметить, 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 двухфотонных процессов, особое внимание уделяется мезонной спектроскопии. В работах [6, 7, 8] получены сечения рождения различных мезонов, начиная от пионов и заканчивая Хиггс бозоном.

Тем не менее, если сравнивать фотон-фотонные и фотон-по.меронные взаимодействия, то в последних процессах сечения рождения частиц на порядок больше, чем в первых. Фотон-померонные процессы подробно рассмотрены в работах [9, 10]. Таким образом, в ультрапериферических взаимодействиях тяжелых ионов фотон-померонные взаимодействия будут преобладать над двухфотонными.

В июне 2000 года начал работу релятивистский ускоритель тяжелых ионов RIIIC (Брукхэйвенская Национальная Лаборатория, США), способный ускорять ядра вплоть до золота и максимальных энергий 200ГэВ/нуклон. За это время накоплен богатый экспериментальный материал, анализ которого уже сейчас привел к очень интересным заключениям о поведении ядерного вещества в экстремальных состояниях.

В настоящее время проводится анализ ультапериферических столкновений тяжелых ионов с установок STAR и PHENIX на ускорителе RHIC. Получены первые результаты: коллаборация STAR сообщила об измерении сечения рождения р° -мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота при энергии в системе центра масс 4s = 130ГэВ/нуклон [11], коллаборация PHENIX представила предварительные данные по обнаружению J /у/ частицы в ультрапериферических столкновениях ядер золота при энергии в системе центра масс 4~s = 200ГэВ/нуклон [12].

Однако все полученные до сих пор результаты относятся к столкновению симметричных ядер. Не меньший интерес представляет изучение рождения частиц в ультрапериферических столкновениях асимметричных ядер, например, золота и дейтона. В таких столкновениях, одно ядро выступает как источник электромагнитного излучения, а другое - как мишень, что позволяет точно локализовать процесс рождения частиц в фотон-померонных взаимодействиях.

Темой настоящей диссертации является исследование образования р°-мезона в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона на релятивистском ускорителе тяжелых ионов RHIC при энергии в системе центра масс фvv = 200 ГэВ/нуклои, измерение его сечения и кинематических характеристик.

Настоящая работа основывается на экспериментальных данных, набранных в эксперименте STAR за 2003 г.

Основной целью представленной диссертации являлось измерение сечения и кинематических характеристик -мезонов, образующихся в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона в фотон-померонных взаимодействиях при энергии = 200 ГэВ/нуклон.

Научная новизна и значимость работы заключаются в том, что в работе впервые проведен полный физический анализ экспериментальных данных по образованию р° -мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона. Рассмотрены два процесса образования р° -мезонов: с распадом дейтона на протон и нейтрон и без распада. Ядро золота в этих двух случаях остается в основном состоянии. Рассчитана эффективность триггеров для регистрации частиц в ультрапериферичеких взаимодействиях ядер золота и дейтона. Проведен расчет светимостей для двух типов триггеров, которые использовались при наборе данных. Проведено полное компьютерное моделирование образования векторных мезонов, в котором была учтена возможность когерентного и некогерентного образования векторных мезонов в фотон-померонных взаимодействиях при ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [13, 14]. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на II и IV конференциях НОЦ CRDF «Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях» (МИФИ), 2004 и 2006 гг. [15, 16], на XVIII Международном семинаре Проблемы Физики Высоких Энергий (ISIIEPP) в г. Дубне, 2004 г. [17], на XXXIII Международной конференции по Физике Высоких Энергий (ICHEP) в г. Москве, 2006 г., а также на рабочих совещаниях коллаборации STAR и на научном семинаре ИЯИ (Троицк).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Тимошенко, Сергей Леонидович

Заключение

В диссертационной работе, на основе анализа экспериментальных данных коллаборации STAR на RHIC, обнаружено образование р] -мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона, в которых ядро золота остается в основном состоянии. При этом получены следующие результаты:

• Обнаружено, что образование р° - мезонов происходит как при распаде дейтона на протон и нейтрон, так и в отсутствие этого распада. Показано, что триггер trg3001 содержит информацию об образовании р° -мезонов в некогерентном процессе, в то время как триггер trg 3000 включает в себя информацию о когерентном и некогерентном процессах.

• Проведено полное компьютерное моделирование образования векторных мезонов с учетом когерентных и некогерентных процессов в фотон-померонных взаимодействиях при ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона. В результате моделирования были вычислены аксептанс установки STAR и эффективность регистрации пионов.

• Вычислены светимости для двух типов триггеров, которые использовались при наборе данных в ультрапериферичеких взаимодействиях ядер золота и дейтона.

• Определены основные кинематические характеристики р[) -мезонов образованных при когерентном и некогерентном взаимодействиях ядер золота и дейтона. Измерены сечения образования /У1 -мезона:

7 = 2.18 + 0.32(стат.) ± 0.52(сист.)мб. Полученные данные по образованию /У -мезонов позволят глубже понять природу померонных полей и свойства /У -мезонов, рожденных в сильных и эл е ктро м а гн итн ы х нза и м оде й ств и ях.

Благодарности

В заключении хочу выразить свою признательность научному руководителю В.М. Емельянову, а так же В.В. Грушину, благодаря которым выход данной работы стал возможным, а также за предоставление прекрасных условий для плодотворной научной работы.

Я искренне благодарен своим коллегам В.О. Тихомирову, М.Н. Стрихано-ву, А. Брандину и А. Лебедеву за многочисленные полезные обсуждения и обмен ценным опытом.

Особую благодарность хочу выразить лидеру группы «Ультрапериферических взаимодействий» коллаборации STAR S. Klein, за постоянное внимание к моей работе и плодотворные обсуждения, без которого выполнение этой работы было бы невозможным. Я также благодарен F. Meissner и J. Seger за постоянное внимание и интерес к моей работе.

Мне приятно поблагодарить всех участников коллаборации STAR.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тимошенко, Сергей Леонидович, 2007 год

1. P. Stenberg. J. Phys. G, 30, p. s683 (2004); P. Fachini. J. Phys. G, 30, p. s735 (2004); D. Kharzeev. Nucl. Phys. A, 735, p. 248 (2004).

2. R. Stock. J. Phys. G, 30, p. s633 (2004); T.Renk. J.Phys. G, 30, p. 149 (2004).

3. G. Baur, at el. Phys. Rep. 364, p. 359 (2002).

4. A. Donnachie and P. V. Landshoff. Nucl. Phys. B, 267, p. 690 (1985).

5. N. N. Nikolaev and B. G. Zakharov. Z. Phys. C, 49, p. 607 (1991), Z. Phys. C, 53, p. 331 (1992).

6. F. Krauss, M.Greiner and G.Soft. Prog.Part.Nucl.Phys., 39, p. 503 (1997).

7. G. Baur, K. Hencken and D. Trautmann. J. Phys. G, 24, p. 1657 (1998).

8. G. Baur, K. Hencken, D. Trautmann, S. Sadovsky and Yu. Kharlov. CMS NOTE 1998/009.9. S.Klein. STAR Note 347.

9. S. Klein and J. Nystrand. hep-ph/9909237.

10. C. Adler et al. Phys. Rev. Lett., 89, p. 272302 (2002).

11. D. d'Enterrie. nucl-ex/0601001.

12. C.Jl. Тимошенко, B.M. Емельянов Рождение векторных мезонов в ультрапериферических ядро-ядерных взаимодействиях, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 37, вып.4, с. 1151 (2006).

13. J. Adams, ., S. Timoshenko et al. Production of e+e- Pairs Accompanied by Nuclear Dissociation in Ultra-Peripheral Heavy Ion Collision. Phys. Rev. C, 70, p. 031902(R) (2004).

14. C. JI. Тимошенко. Образова}ше p° -мезонов в ультрапериферических столкновениях dAu. II конференция НОЦ CRDF «Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях». Сборник научных трудов, МИФИ, (2004)

15. С. Л. Тимошенко. Образование pQ -мезонов в ультрапериферических dAu столкновениях. IV конференция НОЦ CRDF «Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях». Сборник научных трудов, МИФИ, с. 32 (2006).

16. S. L. Timoshenko. р° meson production in ultraperipheral dAu collision. Proceedings of the XVII International Baldin Seminar on High Energy Physics Problems, 1, 292 (2005).

17. C. F. Weizsäcker. Z. Physik 88, p. 612 (1934); E. J. Williams. Phys. Rev. 45, p. 729 (1934).

18. S. Klein and E. Scannapieco. STAR Note 243.

19. C.G. Roldao and A.A. Natale. Phys. Rev. C, 61, p. 064907.

20. S. Klein et al. nucl-ex/0502005.

21. G . Baur and C.A. Bertulani. Phys. Lett., B, 174, p. 23 (1986); J. L. Ritmann et al. Phys. Rev. Lett., 70, p. 533 (1993), Phys. Rev. Lett., 70, p. 2659 (1993); R. Schmidt et al. Phys. Rev. Lett. 70, p. 1767 (1993).

22. European Organization for Nuclear Research, www.cern.ch.

23. T. Walcher. Ann. Rev. Nucl. and Part. Seien., 38, p.67 (1988).

24. G. Blanford et al. Phys. Rev. Lett. 80, p. 3040 (1998).

25. C. A. Bertulani and G. Baur. Phys. Rep., 163, p. 299 (1988).

26. H. J. Pirner. Phys. Rev. C, 22, p. 1962 (1980).

27. H. Feshbach and M. Zabek. Ann. Phy. (NY) 107, p. 110 (1977); H. Feshbach. Theoretical Nuclear Physics: Nuclear Reactions, Wiley-interScience, (1993).

28. J. D. Jackson. Classical Electrodynamics, 2nd ed., Wiley (1975).

29. G. Baur and L. Fereira Filho. Nucl. Phys. A, 518, p. 786 (1990).

30. G. Schüler and T. Sjostrand. Z. Phys. C, 73, p. 677 (1997).

31. B. Muller and A. J. Schramm. Nucl. Phys. A, 523, p. 677 (1991).

32. A. J. Schramm and D. I I. Reeves. Phys. Rev. D, 55, p. 7312 (1997).

33. V. Cavasinni et al. Z. Phys. C, 28, p. 487 (1985).

34. S. Klein, J. Nustrand. Phys.Rev. C, 60, p. 014903 (1999).

35. R. Barrett, D. Jackson. Nuclear Sizes and Structure, Oxford University Press, NY, (1977).

36. J. A. Crittenden. Exlusive Production of Neutral Vector Mesons at the Electron-Proton Collider HERA, Speinger-Verlag, Berlin, (1997).

37. T. Bauer et al. Rev. Mod. Phys., 50, p. 261 (1978).

38. J. Breitweig et al. Eur. Phys. J. C, 2, p. 247 (1998).

39. K. T. R. Davies and J. R. Nix. Phys. Rev. C, 14, p. 1977 (1976).

40. J. Jackson. Nuovo Climento, 34, p. 1644 ( 1964).

41. P. Soding. Phys. Lett., 19, p. 702 (1966).

42. K. Hencken. «Photon-photon luminosities in relativistic heavy ion collisions at LHC energies», nucl-th/9503004.

43. Y. Eisenberg et al. Nucl. Phys. B, 104, p. 91 ( 1976).

44. D. I. Julius, Fortschr. Phys. 22, p. 311 (1974).46. http://www.star.bnl.gov/STAR/comp/simu/newsite/

45. PHOBOS, www.phobos.bnl.gov

46. BRAHMS, http://www4.rcf.bnl.gov/brahms/WWW/brahms.html

47. PHENIX, www.phenix.bnl.gov50. STAR, www.star.bnl.gov

48. C. Adler et al. Nucl. Instrum. Meth. A, 470, p. 488 (2001).

49. F. Bergsma et al. Nucl. Instrum. Meth. A499, 633, (2003).

50. R. Baur et al. Phys. Lett. B332, 471, (1994).

51. K. H. Ackermann et al. Nucl. Instrum. Meth. A, 499, p. 713 (2003).

52. S. Ahmed et al. STAR Note 174 (1994).

53. M. Beddo et al. Nucl. Instrum. Meth. A, 499, p. 725 (2003).

54. S. Klein and V. Morozov. STAR Note 434 (2001).

55. R. Bellwied et al. Nucl. Instrum. Meth. A, 499, p. 640 (2003).

56. F. S. Bieser et al. Nucl. Instrum. Meth. A 499, p. 766 (2003).

57. C. Adler et al. Nucl. Instrum. Meth. A 499, p. 788 (2001 ).

58. J. Adams et al. Phys. Rev. Lett. 91, p. 072304 (2003).

59. T. H. Bauer, R. D. Spital, D. R. Yennie and F. M. Pipkin. Rev. Mod. Phys., 50, p. 261 (1978).

60. P. Soding. Phys. Lett., 19, p. 702 (1966).

61. A. S. Krass. Phys. Rev., 159, p. 1496 (1967).

62. J. Pumplin. Phys. Rev. D, 2, p. 1859 (1970).

63. M. G. Ryskin and Yu. M. Shabelski. hep-ph/9701407

64. STB Collab., H. H. Bingham et al. Phys .Rev. Lett., 24, p. 955 (1970).

65. R. Spital and D. R. Yennie. Phys. Rev. D, 9, p. 126 (1974).

66. M. Ross and L. Stodolsky. Phys. Rev., 149, p. 1172 (1966).

67. T. J. Dakin et al. Phys. Rev. D, 8, p. 687 (1973). 71 ] M.R. Adams et al. Z. Phys. C. 1997

68. D. E. Groom et al. Eur. Phys. J. C, 25, p. 1 (2000).

69. G. McClellan et al. Phys. Rev. D, 4, p.2683 (1971).