Образование заряженных π- и Κ- мезонов, протонов и антипротонов во взаимодействиях ρ + ρ, ρ + Pb и Pb + Pb при энергии 158 ГэВ на нуклон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Баатар Батгэрэл

• Баатар Батгэрэл
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Баатар Батгэрэл

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Эксперимент

1.1. Установка NA49 на ускорителе SPS (ЦЕРН).

1.2. Пучковые детекторы и условия триггера.

1.3. Магнитное поле.

1.4. Времяпроекционные камеры ТРС.

1.5. Калориметры.

1.6. Времяпролетный детектор TOF.

1.7. Электроника считывания и триггер TOF.

1.8. Система сбора данных TOF.

ГЛАВА 2. Обработка экспериментальных данных

2.1. Задачи реконструкции событий.

2.2. Реконструкция треков, вершины взаимодействия и времени пролета частиц.

2.3. Геометрическая калибровка времяпролетного детектора и амплитудная нормировка сигналов.

2.4. Коррекция измерений и определение времени пролета частиц.

2.5. Идентификация частиц.

2.6. Критерии качества треков.

2.7. Параметризация двумерных dE/dx — т2 распределений

2.8. Построение двумерных pt{mt) — у распределений.

2.9. Определение коррекций методом моделирования.

ГЛАВА 3. Спектры частиц тг*, /v ±, р и р в реакциях р+р, р+Pb и

Pb+Pb

3.1. Введение.

3.2. Построение инклюзивных распределений частиц.

3.3. Спектры частиц по поперечной массе.

3.4. Систематика параметров наклона спектров.

3.5. Поперечные спектры частиц и радиальные потоки.

ГЛАВА 4. Спектры частиц рирв реакции Pb+Pb

4.1. Введение.

4.2. Отбор событий по центральное ги столкновений.

4.3. Процедура обработки и коррекции данных.

4.4. Спектры частиц по поперечной массе.

4.5. Форма спектров и параметры наклона.

4.6. Выход частиц и отношение р/р.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Образование заряженных π- и Κ- мезонов, протонов и антипротонов во взаимодействиях ρ + ρ, ρ + Pb и Pb + Pb при энергии 158 ГэВ на нуклон»

Столкновение релятивистских тяжелых ионов представляет уникальную возможность для создания и изучения в лабораторных условиях предельно разогретой и плотной ядерной материи. В таком состоянии вещество кардинально меняет свои свойства по сравнению обычным ядерным веществом. Так, теория сильных взаимодействий квантовая хромодинамика (КХД) предсказывает, что при больших плотностях энергии может произойти переход от обычного состояния материи к новому состоянию, так называемой кварк-глюоиной плазме (КГП), которая характеризуется как система, состоящая из квазисвободных кварков [1,2]. Главной целью исследований во многих ускорительных центрах было и остается поиск проявлений такого состояния в сильновзаимодействующей материи на ранней стадии ядро-ядерных взаимодействий.

Эксперимент NA49 [3] был спроектирован и создан для исследования рождения адронов во взаимодействиях Pb+Pb в пучках ускорителя SPS в ЦЕРН [4]. Большой аксептапс установки для регистрации треков с высоким импульсным разрешением в больших времяпроекционных камерах ТРС и надежной идентификации частиц посредством измерения ионизационных потерь dE/dx и времяпролетных измерений TOF позволили впоследствии существенно расширить программу исследований, дополнив ее экспериментами в нуклон-нуклонных и нуклон-ядерных столкновениях [5] с целыо изучения механизма образования частиц в сравнительно элементарных взаимодействиях и влияния холодной ядерной материи на выход частиц.

Рождение адронов при высоких энергиях столкновения возможно изучать па основе анализа импульсных спектров частиц. Распределения по продольному и поперечному импульсам частиц в конечном состоянии являются простейшими характеристиками, несущими информацию о механизме образования частиц.

Настоящая работа посвящена, в основном, определению спектров частиц по поперечному импульсу pt (поперечной массе mt) частиц и анализу их характеристик (параметров). Это обусловлено тем, что поперечные эффекты являются чистым проявлением динамики реакций, так как большая часть продольных импульсов рожденных частиц обусловлена внутренним движением сталкивающихся объектов, в то время как поперечные импульсы генерируются в самих столкновениях.

В диссертации представлены инклюзивные распределения по поперечному импульсу (поперечной массе) заряженных адронов (7г+, 7г~, К+, К~, р и р) во взаимодействиях р+р, р+РЬ и Pb+Pb при энергии 158 ГэВ на нуклон (158/1 ГэВ), измеренные в эксперименте NA49 на пучках ускорителя SPS в ЦЕРН. Спектры были использованы для сравнительного анализа данных, полученных в относительно простых взаимодействиях протонов и более сложных процессах ядерных столкновений. В частности, обсуждаются следующие основные вопросы:

• поведение (форма и параметры) спектров частиц по поперечному импульсу pt (поперечной массе mt),

• систематика параметров наклона спектров, их зависимость от типа (массы) частиц для различных сталкивающихся систем,

• вклад коллективных радиальных потоков в поперечное движение частиц и, тем самым, в динамику взаимодействия ядер при высоких энергиях.

Поперечные спектры бариопов рнри выходы (множественности) этих частиц во взаимодействиях Pb+Pb при энергии 158А ГэВ измерены в широкой области центральности в столкновении ядер от периферических до самых центральных. Основные вопросы в аиализе этих данных связаны с эффектами изменения барионной плотности (стоппинга), зависящей от степени центральности столкновения, а также аннигиляции антипротонов.

Представленные в работе данные не направлены прямым образом на поиск кварк-глюонной плазмы (КГП) [6] и обнаружение ее основных признаков в столкновениях релятивистских ядер, таких как повышенный выход странности [7,8], подавление J/гр частиц [9] а также подавление частиц с большими поперечными импульсами [10,11], но их цель, скорее, в реакциях р+р, р+Pb и Pb+Pb изучить эволюцию в поведении поперечных импульсов, связанном с образованием высокой плотности энергии и барионной плотности (высокой плотности материи) па ранней стадии центральных столкновений релятивистских ионов, которые являются необходимым условием формирования нового состояния материи -кварк-глюонной плазмы.

Содержание диссертации представлено во Введении и последующих четырех главах.

В главе 1 приводится краткое описание экспериментальной установки NA49 и ее основных элементов, обеспечивших проведение экспериментов в условиях большого аксептанса, измерения треков частиц с высоким импульсным разрешением и надежной идентификацией частиц.

В этой главе со сравнительно большей подробностью дано описание время пролетной системы, с использованием которой в данной работе были получены результаты физического анализа. Это связано с тем, что создание 900-канального времяпролетного детектора явилось существенным вкладом Объединенного института ядерных исследований в эксперимент NA49.

Принципиальное значение для получения высокого разрешения по времени пролета частиц имеют вопросы калибровки детектора, изложенные в главе 2 вместе с методикой идентификации заряженных частиц, осуществляемых в эксперименте на основе измерений времени пролета в TOF детекторе с использованием данных по измерению ионизационных потерь частиц во времяпроекциопных камерах ТРС.

В завершении этой главы, посвященной методике обработки экспериментальных данных, представлены также способы определения различных поправок, коррекций и процедуры восстановления поперечных спектров идентифицированных заряженных частиц. Результаты анализа экспериментальных данных, выполненных на основе спектров идентифицированных частиц содержатся в последующих двух главах диссертации.

Глава 3 посвящена изучению образования тт^, К±, р и р в реакциях р+р, р+Pb и центральных столкновениях ядер Pb+Pb при энергии 158Л ГэВ. Обсуждаются выходы частиц, параметры наклона и средние значения поперечных масс, полученных из спектров частиц.

Вопросы образования протонов и антипротонов в широкой области центральности в столкновениях ядер Pb+Pb при энергии 158А ГэВ рассматриваются в главе 4. Анализируются, главным образом, измеренные величины для указанных выше характеристик спектров частиц.

Большинство результатов, изложенных в диссертации, было представлено на международных конференциях: "Кварковая материя" Нант, Франция (2002) и Будапешт, Венгрия (2005), "Многочастичная динамика" Крым, Украина (2002), "Странная кварковая материя" Атлантик Бич, США (2003) и Кейптаун, ЮАР (2004), "Ядро-ядерные столкновения" Москва, Россия (2003).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [12-18].

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Баатар Батгэрэл

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнена обработка экспериментальных данных, которая включает в себя калибровку времяпролетной информации, идентификацию заряженных частиц по измерениям времени пролета в TOF детекторе и ионизационным потерям частиц в трековых камерах ТРС, коррекцию данных для определения выхода частиц, построения инклюзивных спектров частиц и проведения физического анализа на основе этих спектров.

2. Впервые измерены инклюзивные спектры частиц -к±, К±, р и р в условиях одной экспериментальной установки (адронный детектор NA49 на ускорителе SPS в ЦЕРН), позволившие провести сравнительный анализ их характеристик во взаимодействиях р+р, р+Pb и центральных столкновениях ядер Pb+Pb при энергии 158 ГэВ/нуклон. Выполнены исследования образования частиц р и р в широкой области центральности взаимодействующих ядер Pb+Pb при энергии 158 ГэВ/нуклон.

3. Для широкого спектра частиц выполнен анализ зависимости параметров наклона распределений по поперечной массе тп* (поперечному импульсу pt). Показано, что значения параметров наклона возрастают с ростом массы частиц и размером сталкивающихся ядер, но остаются, практически, постоянными во взаимодействиях р+р и р+РЬ.

4. Показана сильная зависимость формы и параметров поперечных спектров р и р от степени центральности в столкновениях ядер Pb+Pb. Параметры наклона и средние значения поперечных масс спектров р и р увеличиваются при переходе от периферических взаимодействий к центральным взаимодействиям ядер. В центральных столкновениях ядер при малых значениях поперечных масс mt в спектрах наблюдается заметное отклонение от экспоненциального Больцмановского распределения.

5. Полученные результаты (пп. 3 и 4) подтверждают предсказанные свойства инклюзивных поперечных спектров частиц, полученных в рамках современного представления о том, что в центральных ядро-ядерных взаимодействиях наряду с термальным движением частиц возникает сильное гидродинамическое расширение и коллективные радиальные потоки.

6. Показано, что выход протонов, нормированный на число взаимодействующих нуклонов в сталкивающихся ядрах Pb+Pb, увеличивается с ростом центральности столкновений, а выход антипротонов остается почти постоянным. Такое различие в выходах частиц может быть следствием двух доминирующих процессов - усилением стоппинга (торможения) нуклонов и аннигиляцией антипротонов в плотной ядерной среде по мере продвижения от периферических к центральным столкновениям ядер Pb+Pb.

В заключении хочу поблагодарить профессора Малахова Александра Ивановича за постоянное внимание и поддержку на протяжении всего периода работы, основная часть которой была выполнена в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ.

Я с большой благодарностью вспоминаю о той большой поддержке, которую оказывал Александр Михайлович Балдин участию Лаборатории в эксперименте NA49 в ЦЕРН.

Я благодарен руководству ОИЯИ и Лаборатории физики высоких энергий за внимание и большой интерес к физической проблеме, которой посвящена диссертация.

Я благодарен моему научному руководителю Мелкумову Георгию Левоновичу за постановку задачи, постоянное внимание и большую помощь в работе.

Моя огромная признательность сотрудникам Лаборатории - коллегам, принимавшим участие в работе на разных ее этапах - Колесникову Вадиму Ивановичу за большую помощь в освоении программ и методики обработки, С.В. Афанасьеву, АЛО. Семенову, С.Г. Резникову и АЛО. Исупову за большой труд, который они внесли в создание времяпролетного детектора ОИЯИ для эксперимента NA49 в ЦЕРН, данные с которого положены в основу диссертации, а также Н.М. Агабабяну за полезные обсуждения.

Я признателен участникам коллаборации NA49, которые построили большой адронный детектор, осуществили набор данных и создали высокую культуру обработки и анализа экспериментальной информации.

Огромная благодарность и признательность моим дорогим родителям, жене Оюунтуяа и детишкам за постоянную заботу, без чего мой успех в работе был бы не возможен.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Баатар Батгэрэл, 2009 год

1. J.C. Collins and M.J. Perry, Phys. Rev. Lett. 34, 1353 (1975).

2. M. Kisslinger and P. Morley, Phys. Rev. D10, 2771 (1976).

3. S. Afanasiev et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A430, 210 (1999).

4. Proposal NA35/NA49, CERN/SPSLC 91-31, SPSLC/P264 (1991).

5. H. Meyer-Ortmanns, Rev. Mod. Phys. 68, 473 (1996).

6. J. Rafelski and B. Miiller, Phys. Rev. Lett. 48, 1066 (1982).

7. J. Rafelski, Phys. Rept. 88, 331 (1982).

8. T. Matsui and H. Satz, Phys. Lett. B178, 416 (1986).

9. M. Gyulassy and M. Pliimer, Phys. Lett. B243, 432 (1990).

10. M. Gyulassy and X.N. Wang, Nucl. Phys. B420, 583 (1994).

11. M. van Leeuwen, T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A715 (2003), 161c-171c.

12. C. Hohne, S.V. Afanasiev, T. Anticic, B. Baatar, et al., (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A715 (2003), 474c-477c.

13. V. Friese, C. Alt, T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30 (2004), SI 19—S128.

14. I. Kraus, S.V. Afanasiev, T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30 (2004), S583-S588.

15. T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), Phys. Rev. C69, 024902 (2004).

16. C. Holme, C. Alt, T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A774 (2006), 35-42.

17. C. Alt, T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), Phys. Rev. C73, 044910 (2006).

18. C. De Marzo et al, Nucl. Instr. and Meth. 217, 405 (1983).

19. J. Bachler et al, Phys. Lett. B184, 271 (1987).

20. K. Werner, Phys. Rep. 232, 87 (1993).

21. B.A. Григорьев и др, Энергоатомиздат, 1988

22. И.И. Анисимова и Б.М. Глуховский, Фотоэлектронные умножители, Москва, "Советское радио", 1974.

23. АЛО. Семенов, Кандидатская диссертация, ОИЯИ, Дубна, 1998.

24. С.В. Афанасьев и др., Краткие Сообщения ОИЯИ, Nl(81)-97, 1997, с.45.

25. С.В. Афанасьев и др., Краткие Сообщения ОИЯИ, N5(85)-97, 1997, с.69.

26. R. Zybert. DSPACK (version 1.0). NA49 Note 14.12.1993.

27. С. Borman et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A374, 227 (1996).

28. Aplication Software Group, CN Division, CERN, DSPACK Data Manager, CERN, Geneva 1993.

29. В.И. Колесников, Кандидатская диссертация, ОИЯИ, Дубна, 2002.

30. R. Brun et al, CERN-DD/EE/84-1.

31. E. Fermi, Prog.Theor.Phys. 5, 570 (1950).

32. E.I. Finberg, Sov.Phys.Usp. 14, 455 (1972).

33. E.V. Shuryak, Sov.J.Phys. 20, 295 (1975).

34. R. Hagedorn, Sup. Nuovo Cimento, 3, 147 (1965).

35. G. Bearden et al, Phys. Rev. Lett. 78, 2080 (1997).

36. E. Schnederman, J. Solfrank and U. Heinz, Phys. Rev. C48, 2462, (1993).

37. N. Xu et al, Nucl. Phys. A610, 175c (1996).

38. R. Hagedorn and J. Ranft, Nucl. Phys. B48 (1972), 157.

39. F. Becaltini and G. Passavela, Eur. Phys. J. C23 (2002), 551.

40. P. Braun-Munzinger, K. Redlich and J. Stachel, e-print:nucl-th/0304013.

41. B. Nilsson-Almqvist and E.Stenlund, FRITIOF version 1.6, Comput. Phys. Commun 43 (1987) 387.

42. H. Pi, FRITIOF version 7.0 Comput. Phys. Commun. 71 (1992) 173.

43. R.J. Glauber and G. Matthiae, Nucl. Phys. B21 (1970), 135.

44. M. Kreps, NA49 Collaboration Meeting, April, 2001.

45. C. Alt, T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), Eur. Phys. J. C45, 343-381 (2006).

46. C. Alt, T. Anticic, B. Baatar etal., (NA49 Collaboration), Eur. Phys. J. C49, 897-917 (2007).

47. M.J. Tannenbaum, Int. J. Mod. Phys., A4 (1989) 3377.

48. A.Z. Mekjian, Phys. Rev. C17 (1978) 1051.

49. P.F. Kolb and U. Heinz, e-print:nucl-th/0305084.

50. J. Bachler et al, (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A661 (1999) 45.

51. H. Appelshauser et al, (NA49 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 82, 2471 (1999).

52. G.E. Cooper et al, Ph. D. Thesis, University of California, Berkeley (2000).

53. I.G. Bearden et al, Phys. Rev. Lett. 78, 2080 (1997).

54. S.V. Afanasiev et al, (NA49 Collaboration), Phys. Lett. B486, 22 (2000).

55. J.W. Cronin et al., Phys. Rev. Dll, 3105 (1975).

56. C. Alt, T. Anticic, B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 94, 052301 (2005).

57. P. Braim-Munzinger, J. Stachel, J.P. Wessels and N. Xu. Phys. Lett. B344, 43, (1995).

58. H. Appelshauser et al, (NA49 Collaboration) Eur. Phys. J. C2, 661 (1998).

59. G. Roland, H. Appelshauser et al, (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A638, 91c, (1998).

60. H. van I-Iecke, H. Sorge and N. Xu, Nucl. Phys. A661, 493 (1999).

61. H. Sorge, J.L. Nagle and B.S. Kumar, Phys. Lett. B355, 27 (1995).

62. J. Soil frank et al, J. Phys. С 52, 593(1991).

63. U. Heinz, Nucl. Phys. A610, 264c (1996).

64. U. Heinz etal, Phys. Lett. B382, 181 (1996).

65. S. Chapman, J.R. Nix and U. Heinz, Phys. Rev. C52, 2694 (1995).

66. I.G. Bearden et al, Phys. Rev. Lett. 78, 2080 (1997).

67. J.Burward-Iioy and B.V.Jacak, nucl-ex/0111005 (2001).

68. Il.Sato and K.Yazaki, Phys. Lett. B98, 153 (1981).

69. E.Schnedermann and U.W. Heinz, Phys. Rev. C50, 1675 (1994).

70. G. Van Buren (STAR), Nucl. Phys. A715 (2003) 129-139.

71. J. Burward-Hoy (PHENIX), Nucl. Phys. A715 (2003) 498-501.

72. P. Koch, В. Muller, II. Stacker and W. Greiner, Mod. Phys. Lett. A3, 737 (1988).

73. J. Ellis, U. Heinz and H. Kowalski, Phys. Lett. B233, 223 (1989).

74. U. Heinz, P.R. Subramanian, II. Stacker and W. Greiner, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 12, 1237(1986).

75. J. Rafelski and B. Muller, Phys. Rev. Lett. 48, 1066 (1982);

76. P. Koch, B. Muller and J. Rafelski, Phys. Rep. 142, 167 (1986).

77. M. Bleicher et al, Phys. Lett. B485, 133 (2000).

78. M. Bleicher et al, Phys. Rev. C59, 1844 (1999).

79. G.E. Cooper et al, (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A661, (1999) 362c.

80. F. Sikler et al., (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A661, (1999) 45c.

81. H. Sorge, Phys. Rev. C52, 3291 (1995).

82. R.A. Fini et al., J. Phys. G.: Nucl. Part. Phys. 27, 375 (2001); F. Antiniri et al, Nucl. Phys. A715, (2003) 140c.

83. A. Mischke et al., (NA49 Collaboration), Nucl. Phys. A715, 453c (2003).

84. T. Anticic, B. Baatar et al., (NA49 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 93, 022302 (2004).

85. M. Gazdzicki, C. Alt., B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30 (2004) 701-708.

86. Ch. Blume, S.V. Afanasiev., B. Baatar et al, (NA49 Collaboration), J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 31 (2005) 685.

87. I. Ahle et al, (E802), Phys. Rev. Lett. 81, 2650 (1998).

88. K. Guettler et al, Phys. Lett B64, 111 (1976).

89. I.G. Beardcn et al, Phys. Rev. C57, 837 (1998).

90. C. Adler et al, Phys. Rev. Lett. 86, 4778 (2001).

91. К. Adcox et al, Phys. Rev. C69, 024904 (2004).

92. J. Adams et al, Phys. Rev. Lett. 92, 112301 (2004).

93. S.S. Adler et al, Phys. Rev. C69, 034909 (2004).