Создание установки и проведение эксперимента по изучению процессов с рождением фотонов при больших значениях кумулятивного числа и поперечного импульса в ядерных реакциях при высоких энергиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Шарков, Георгий Борисович

• Шарков, Георгий Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шарков, Георгий Борисович

Введение.

1. Фазовая диаграмма ядерной материи.

2. Кумулятивные явления.

3. Современный статус кумулятивного эффекта.

4. Источники кумулятивных фотонов.

5. Экспериментальные данные рождения кумулятивных тг°.

6. Флуктон-флуктонные взаимодействия.

Глава I Постановка задачи.

1. Качественные оценки параметров проведения эксперимента.

2. Симуляции фоновых загрузок в рамках RQMD.

3. Оценка сечений рождения кумулятивных фотонов исходя из экстраполяции существующих данных о рождении пионов.

4. Симуляция сигнала тг°-мезона в калориметре.

Глава II Детектор.

1. Выбор материала калориметра.

2. Модуль на основе свинцовых стёкол.

3. Система ВЕТО.

4. Супермодуль и мобильность установки.

5. Система светодиодного мониторинга.

1. Электроника.

6. Калибровка калориметрических модулей.

Глава III Эксперимент.

1. Схема эксперимента.

2. Параметры системы сбора данных.

3. Параметры контроля проведения измерений.

Глава IV Обработка результатов эксперимента.

1. Формирование базы данных с результатами эксперимента.

2. Контроль качества пучка.

3. Проверка работоспособности детекторов.

4. Отбор по форме сигнала.

5. Отбор событий по соответствию максимальной амплитуды сигнала и интеграла по временному диапазону суммирования.

6. Выделение центральной части детектора.

7. Вычисление спектров фотонов.

Глава V Анализ полученных данных.

1. Суммарный спектр фотонов.

2. Угловая зависимость.

3. Сравнение с моделями.

4. Спектр инвариантных масс двух фотонов.

5. Флуктон-флуктонные взаимодействия.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание установки и проведение эксперимента по изучению процессов с рождением фотонов при больших значениях кумулятивного числа и поперечного импульса в ядерных реакциях при высоких энергиях»

Диссертационная работа посвящена измерению спектров кумулятивных фотонов в области поперечных импульсов порядка ГэВ и выше в ядро-ядерных реакциях с помощью калориметрической методики. Идея заключается в том, чтобы с помощью электромагнитного калориметра создать быстрый триггер, выделяющий т.н. кумулятивный процесс [1]. Для этого параметры установки (расположение в пространстве, порог триггера) подбираются так, чтобы триггер срабатывал на частицу (фотон), находящуюся в кинематической области не доступной для квазисвободного нуклон-нуклонного взаимодействия. Такие события могут рассматриваться как сигнатура взаимодействия, где, по крайней мере, один из участников является высокоплотной многонуклонной флуктуацией ядерной материи (флуктон). При этом отбор событий с большими поперечными импульсами pt и .v даёт возможность пройти в область локальных взаимодействий, а значит и больших барионных плотностей. В перспективе это может стать инструментом для исследования материи при низких температурах и очень больших барионных плотностях, т.е. в практически неизученной области фазовой диаграммы, где предсказываются новые явления и новые состояния материи. Использование кумулятивного фотона в качестве триггера на такой процесс удобно по двум причинам. С одной стороны фотон взаимодействует с окружающей ядерной материей намного слабее, чем адроны. С другой — используя относительно простую калориметрическую методику, позволяет сделать быстрый триггер на интересующий процесс.

Изучение плотной ядерной материи с помощью триггера на кумулятивный фотон является довольно обширной физической программой. Данная работа посвящена первому этапу этой программы, на котором была создана экспериментальная установка и проверена реалистичность такой постановки задачи.

1. Фазовая диаграмма ядерной материи

В отличие от физики частиц высоких энергий, где рассматриваются взаимодействия кварков и глюонов в вакууме, предметом изучения релятивистской ядерной физики являются взаимодействия кварков и глюонов в среде, т.е. хромодинамика сред. Поэтому для описания состояния материи используются переменные характерные для описания сред, такие как температура, плотность, энтропия. Важнейшую роль играет так называемая фазовая диаграмма состояний ядерной материи (рис.1), переменными которой являются температура и барионная плотность. [2, 3, 4, 5]

Обычная ядерная материя, состоящая из протонов и нейтронов, имеет сравнительно небольшую плотность и температуру. При увеличении температуры и/или плотности предсказывается фазовый переход в состояние, которое характеризуется кварк-глюонными степенями свободы [6], [7], [8]. Считается, что изучение плотной и горячей ядерной материи может помочь понять суть явлений конфайнмента н нарушения киральной симметрии.[9]

При высоких температурах и малых барионных плотностях ожидается существование кварк-глюонной плазмы, для поиска и изучения которой создаются ионные ускорители высоких энергий, такие как RHIC [10] (лаборатория Ферми, США) и LHC (LHC, ЦЕРН). Установки STAR, PHENIX и ALICE пытаются с помощью высоких энергии ионных пучков > 1ТэВ) достичь состояния, в котором находилась Вселенная на ранних стадиях развития.

Гипотеза о существовании кварк-глюонной плазмы стимулировала теоретическое изучение фазовой диаграммы и привела к её существенному усложнению. По современным представлениям при высоких температурах и малых плотностях происходит фазовый переход второго рода (кроссовер [7], [11]). В то время как при умеренных плотностях переход первого рода по-прежнему считается возможным [12], и предсказывается существование критической точки [13]. В эту область предлагается проникнуть, используя установку СВМ, проектируемую в рамках проекта FAIR [14] на ускорителе SIS 300(Vs ~ 25ГэВ).

При увеличении барионной плотности фазовый переход происходит путём перекрытия нуклонов (или кварковых мешков), кварки становятся неизолированными, они находятся в среде, в поле множества других кварков и глюонов[15].

Ядерная материя с подобными свойствами, возможно, существует в коре нейтронных звёзд, где высокая плотность достигается с помощью гравитации [16]. При массах звезды порядка нескольких масс солнца её размеры могут быть всего несколько десятков километров.

При дальнейшем увеличении плотности и низких температурах возможно возникновение состояния, которое называется цветовой сверхпроводимостью [17, 18]. По аналогии со сверхпроводимостью в металлах, кварки с противоположными спинами в этом состоянии распространяются ларами. Пары обладают нулевым значением спина и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. [ 19]

Конкретные способы достижения этой области пока не ясны. Предлагаемый нами способ достижения сверхвысоких барионных плотностей основывается на использовании открытого в 70-е годы прошлого века в России кумулятивного эффекта [20, 21]. 0J V oi Q. Е

200

О) с

100

Quarks and Gluons

Critical point?

4,

Hadrons x % % Color Super-^AQ-ble«tTTJTfstars conductor?

-//"

Nuclei

Net Baryon Density

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Шарков, Георгий Борисович

Выводы.

В представленной работе сделано:

Предложен метод отбора редких событий, в которых можно ожидать образование плотной барионной материи, на основе триггера на глубоко кумулятивную частицу. Предложен метод реализации такого триггера путём регистрации одиночных высокоэнергетичных фотонов в глубоко кумулятивной области. Было проведено моделирование условий эксперимента в рамках модели RQMD. Для оценки сечений рождения кумулятивных фотонов была предложена и реализована модель, описывающая спектры пионов в АА взаимодействии.

Было проведено моделирование отклика детектора на частицы, рождённые в АА взаимодействиях.

На основе свинцового стекла марки Ф8 создан электромагнитный калориметр, состоящий из 64 (матрица 8X8) калориметрических блоков с фотоумножителями ФЭУ-110.

Для м он итерирования изменения усиления ФЭУ калориметра со временем была разработана светодиодная система.

Для режекции заряженных частиц была создана система ВЕТО, состоящая из 64 счетчиков на основе пластиковых сцинтилляторов с регистрацией света фотодиодом. Создана система сбора данных, выполненная в стандарте VME, и предусматривающая: амплитудно-цифровое преобразование (АЦП) сигналов с детекторов, запись информации в буфер и передачу информации на накопительные диски по каналу сети Ethernet.

Калориметр был прокалиброван на вторичном пучке электронов ускорителя ИТЭФ при следующих импульсах электронов: 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0 ГэВ/с. Энергетическое разрешение калориметра составило -^- = -^=©2% .

Детекторы системы ВЕТО были протестированы и прокалиброваны на пучках протонов от ускорителя ИТЭФ.

Был проведён эксперимент в магнитном зале ускорительного комплекса У10 ИТЭФ, в котором спектры фотонов под углами 55°-61°, 61°-67° и 67°-73° были измерены в Ве-12С взаимодействиях при кинетической энергии пучка 3.2 А ГэВ.

Проведена обработка полученных результатов и сравнение спектра фотонов с модельными предсказаниями.

Получены следующие результаты:

• Предложен и апробирован новый подход к изучению плотной ядерной материи с помощью отбора редких кумулятивных процессов. Для поставленной задачи оптимизированы условия проведения эксперимента с точки зрения выбора сталкивающихся ядер и их энергии, регистрируемой частицы и кинематической области её регистрации.

• Разработана и создана специальная установка, адекватная поставленной задаче. Основываясь на относительно простой калориметрической методике, удалось создать установку, способную эффективно отбирать процессы с большим порядком кумулятивности.

• Измерены спектры фотонов в новой кинематической области. Впервые получены экспериментальные указания на проявление флуктон-флуктонного взаимодействия при суммарном кумулятивном числе не менее 5.

В заключение хотел бы поблагодарить руководство Института Теоретической и Экспериментальной Физики им. Алиханова, а также персонал ускорительного комплекса ИТЭФ-ТВН, который обеспечивал возможность проведения калибровки калориметра, теста подсистем установки и самого эксперимента.

Я благодарен моим соавторам и коллегам, с которыми мне посчастливилось работать на установке ФЛИНТ: И. Г. Алексеева, В. Е. Вишнякова, А. И. Голутвина, В. С. Горячева, Г. Б. Дзюбенко, А. Г. Долголенко, Б. В. Загреева, С. М. Киселева, И. Е. Королько, Г. А. Лексина, К. Р. Михайлова, П. А. Полозова, М. С. Прокудина, Д. Н. Свириду, В. Л. Столина.

Также хотел бы поблагодарить И. Ларина за помощь в расчетах и А. Ситникова за помощь в сборке калориметра.

Особая благодарность доктору Алексею Валентиновичу Ставинскому, под руководством которого я работал и у которого многому научился и учусь.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шарков, Георгий Борисович, 2008 год

1.1.Blohintsev, Sov.Phys.JETP 33, 1295 (1957), V.V.Burov et al., Phys.Lett. B67, 46 (1977), A.V.Efremov, SovJ.El.Part.Nucl.Phys. 13, 613 (1982).

2. M. A. Stephanov, PoS LAT2006, 024 (2006) rarXiv:hep-lat/07010021.

3. P. Braun-Munzinger et. al., Phys. Lett. В 465 (1999) 15

4. R. Stock, Phys. Lett. B456 (1999), 277

5. J. Cleymans and K. Redlich, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 5284

6. A. Polyakov, Phys. Lett. В 82 (1979), 247

7. А. Сахаров, Письма в ЖЭТФ 5 (1967), 32

8. Е. V. Shuryak. Quark-gluon plasma and hadronic production of leptons, photons and psions. Phys. Lett., B78:150, 1978.

9. M. Gazdzicki and M. Gorenstein, Acta Phys. Polon. В 30 (1999) 2705.;S.V. Afanasiev et al., Phys. Rev. С 66 (2002) 054902.

10. К. Adcox et al., Nucl. Phys. A757, 184 (2005).

11. L. Susskind, Phys. Rev. D 20 (1979V 2610

12. O.K. Kalashnikov, V.V. Klimov (Lebedev Inst.). Phys.Lett.B8S:328,1979.

13. M. A. Stephanov, K. Rajagopal and E. V. Shuryak, Phys. Rev. Lett. 81, 4816 (1998) rarXiv:hep-ph/9806219114 http://www.gsi.de/fair/experiments/CBM/index.html; http:/Avww.gsi.de/fair

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

15. E. Witten, Phys. Rev. D30, 272 (1984); E. Fahri & R. L. Jaffe, Phys. Rev. D30, 2379 (1984)

16. D.Bailin and A.Love, Phys.Rep. 107, 325 (1984).

17. K. Rajagopal, Nucl. Phys. A661 (1999) 150c

18. Steven C. Frautschi. Presented at Workshop on Hadronic Matter at Extreme Energy Density, Erice, Italy, Oct 13-21, 1978. Published in Erice Hadr.Matter 1978:18 fOCD161:W7:19784

19. Yu.D. Bayukov et al., Izvestia Akad.Nauk SSSR, Fizika, 30, 521 (1966); ЯФ, 18, 1246 (1973).

20. A.M. Балдин, H. Гиордэнеску, B.H. Зубарев, и др. Препринт ОИЯИ, Р1-5819, Дубна, 1971; ЯФ, 18, 79 (1973).

21. A.M.Baldin, Short Communication in Physics, Lebedev Institute for Physics Press, 1, 35 (1971).

22. Г.А. Лексин, ЯФ, 65, 2042 (2002).

23. C.B. Бояринов и др. ЯФ 57, 1452 (1994).

24. S.Frankel, Phvs.Rev.Lett. 38. 1338 (1977). Phvs.Rev. С17. 694(1978).

25. L.L.Frankfurt and M.I.Strikman, Phys.Rep. 76, 215, (1981); 160, 235 (1988).

26. S.V.Boyarinov et al., Sov.J.Nucl.Phys. 46, 871 (1987).

27. Yu.D.Bayukov et al., Sov.J.Nucl.Phys. 50, 638 (1989).

28. А.Г. Литвиненко Диссертация на соискание учёной степени доктора физ.-мат. наук. Дубна 2007. На правах рукописи.

29. Г.А. Лексин ЯФ 65, 11, (2002) 2042; A.M. Балдин Физика элементарных частиц и атомного ядра, 8(3), 429, (1977).

30. А. В. Ефремов Физика элементарных частиц и атомного ядра, 13(3), 613, (1982).

31. В.К. Лукьянов и А.И. Титов Физика элементарных частиц и атомного ядра, 10(4), 815, (1979);

32. М.И. Стрикман и Л.Л. Франкфурт Физика элементарных частиц и атомного ядра, 8(3), 429, (1977).

33. М. Braun and V. Vechernin, Nucl. Phys. В 427, 614 (1994); Yad. Fiz. 60, 506 (1997) Phys. At. Nucl. 60, 432 (1997).; Yad. Fiz., 63, 1920 ( 2000) [Phys. At. Nucl., 63, 1831, (2000)]; Nucl.Phys. В (Proc. Suppl.) 92, 156 (2001).

34. B.C. Ставинский Физика элементарных частиц и атомного ядра, 10(5), 949 (1979).

35. K.S. Egiyan et al. Phys. Rev. Lett. 96. 082501 (2006)

36. R.A. Niyazov et. al. Phys. Rev. Lett. 92 5 (2004) 052303

37. R. Shneor et. al. Phys. Rev. Lett. 99. 072501 (2007)

38. A.V. Stavinskiy et. al. Phys. Rev. Lett. 93. 192301 (2004)

39. A.M. Балдин и др. Сообщение ОИЯИ Р1-11302, Дубна (1978).

40. Ю.Д. Баюков и др. Препринт ИТЭФ, 4, (1982).

41. Ю.Д. Баюков и др. ЯФ , 35, 960, (1982).

42. A.M. Балдин и др. Сообщение ОИЯИ Р1-83-432, Дубна, (1983).

43. В.Б. Гаврилов и др. ЯФ, 41, 843, (1985).

44. В.Б. Гаврилов и др. Препринт ИТЭФ, 121, (1985).

45. В.К. Бондарев, А.Г. Литвиненко, А.И. Малахов и С.Г. Резников. ЯФ, 64(9), 1698, (2001).47 Yad.Fiz. 59 4 694 (1996)

46. S.V. Afanasiev et al. Nuclear Physics A, A(625), 817-831, (1997).

47. S.V. Afanasiev et al. Phys.Lett.B, B(445), 14-19, (1998).

48. А.Ю. Илларионов, А.Г. Литвиненко и Г.И. Лыкасов. ЯФ, 66(2), 1-14, (2003).

49. A.Yu. Illarionov, A.G. Litvinenko and G.I. Lykasov. Eur. Phys. J., A(14), 247, (2002).

50. W. Vogelsang andM. R. Whalley J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 23 (1997) Al

51. Simon Turbide, Ralf Rapp, and Charles Gale, arXiv:hep-ph/0308085 v3

52. S. S. Adler et. al. PRL 94, 232301 (2005)

53. M.M. Aggarwal et. al. nucl-ex/0006007,

54. W Vogelsang and M R Whalley J. Phys. G, 23 (1997) Al, D.Srivastava, Eur.Phys.J, C22 (2001) 129

55. H.Sorge, H. Stacker and W. Greiner, Ann. Phys. (NY) 192, 266 (1989); Nucl. Phys. A498, 567c (1989); Z. Phys. C47, 629 (1990); H.Sorge, Phys. Rev. C52, 3291 (1995).

56. P. Г. Аствацатуров, В. В. Архипов, П.Ж. Асланян и др. Р1-81-125 ОИЯИ (1981);

57. Н.А. Бургов и др. Препринт ИТЭФ, №58, М., 1979;

58. R. Averbeck et. al. Z. Phys. A 359, 65-73 (1997)

59. R. Novotny: IEEE Trans, on Nucl. Sc. 38 (1991) 379, A.R. Gabler et al.: Nucl. Instr. and Meth. A 346 (1994) 168

60. И.Г. Алексеев, С.Г. Белогуров, B.E. Вишняков,., препринт ИТЭФ 24-06; ПТЭ 4, 5 2008г.

61. R.Brun et al., GEANT3 User Guide, DD/EE/84-1 (1985); http://wwwasdoc.web.cern.ch/wwwasdoc/geantold/GEANTMAIN.htmI.

62. R.Brun et al., http://root.cern.ch

63. B.Nilsson-Almqvist and E. Stenlund, Computer Phys. Comm. 43, 387 (1987); B. Andersson, G. Gustafson and B. Nilsson-Almqvist, Nucl. Phys. B281, 289 (1987).

64. S.Nagamiya et al., Phys.Rev. C24. 971 П98П. S.A.Chessin, Preprint LBL-14262 (1983) (data at 180 deg.).

65. G.N.Agakishiev et al., Yad.Fiz. 51, 1591 (1990) Sov.J.NucI.Phys. 51, 1004 (1990)., A.M.Baldin et al., Preprint JINR-E1-82-472 (1982) (data at 180 deg.).

66. CMS ECAL Technical Design Report. CERN/LHCC 97-33. CMS TDR 4, 15 December 1997; http://cmsdoc.cern.ch/ftr)/TDR/ECAL/ecal.html

67. В.П. Зрелов Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий. М.: Атомиздат, 1968. Т. 1. С. 125; Там же. Т. 2. С. 60

68. A. Akindinov, V. Golovin, P. Polozov et. al. Nucl. Instrum. Meth. A387, 231, 1997

69. Spartan-II 2.5V FPGA Complete Data Sheet: http://www.xilinx.com

70. M. Akrawy et al. Nucl. Instr. and Meth. A290(1990) 76.

71. P. Checchia et al. Nucl. Instr. and Meth. A275(1989) 49; and P. Checchia et. al., Nucl. Instr. and Meth. A248 (1986) 317.

72. T. Sumiyoshi, Nucl. Instr. and Meth. A271 (1988) 432; K. Ogawa et al., Nucl. Instr. and Meth. A243 (1986) 58.

73. И. Г. Алексеев, В. E. Вишняков, А.И. Голутвин и др., ЯФ, 71, 1879, (2008).