Томография ядерной материи при соударениях релятивистских ядер тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Теплов, Константин Юрьевич

• Теплов, Константин Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Теплов, Константин Юрьевич

Введение

Глава I. Столкновения релятивистских ядер

1. Введение. История вопроса.

2. Модели ядро-ядерных взаимодействий

3. Мягкие и жесткие тесты плотной материи в ультрарелятивистских столкновениях тяжелых ядер.

Глава II. Установка CMS на коллайдере LHC

1. Большой адронный коллайдер (LHC) . 3G

2. Общее описание установки Компактный мюонный соленоид (CMS)

3. Наблюдаемые в ядро-ядерных взаимодействиях на установке CMS

Глава III. Программное обеспечение для моделирования ядро-ядерных соударений на установке CMS.

1. Компьютерные ирограммы-гсиераторы столкновений релятивистских ядер. HIJING, PYTHIA и PYQUEN

2. Программное обеспечение для моделирования отклика установки CMS

Глава IV. Струи. Энергетические потери струи. Модифи

Y> кация функции фрагментации струи (ФФС) в ультрарелятивистских соударениях ядер

1. Восстановление ФФС в канале с рождением лидирующего 7Г°

2. Определение ФФС в канале с рождением лидирующего мюона в струях от 6-кварков

Глава V. Использование передних калориметров установки CMS. Определение параметра удара.

1. Восстановление энергии, выделившейся в HF-калориметре

2. Нахождение и реконструкция струй в HF-калориметре

3. Определение параметра удара с помощью калориметров HF и CASTOR.

Глава VI. Мониторирование и калибровка адронного калориметра установки CMS

1. Мониторирование адронного калориметра по моментам энергетического распределения в ячейках калориметра.

2. Влияние раскалибровки адронного калориметра на реконструкцию канала Н —>■ тт —струи

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Томография ядерной материи при соударениях релятивистских ядер»

Актуальность темы

В настоящее время высокий интерес к изучению свойств сверхплотной материи, образующейся в ультрарелятивистских столкновениях ядер, обусловлен возможностью достижения в этих условиях деконфайнмен-та адронной материи и формирования кварк-глюонной плазмы (КГП). В этой связи в последнее время рассматриваются т.н. "жесткие" тесты КГП — адроны, лептоны, фотоны и струи с большими поперечными импульсами, несущие информацию о ранних стадиях ее эволюции. Экспериментальные данные, полученные на коллайдере RHIC в Брукхейвен-ской национальной лаборатории (подавление выхода жестких адронов, сильная азимутальная анизотропия потока частиц), дают основания полагать, что КГП могла быть образована в наиболее центральных соударениях тяжелых ионов (Аи — Аи). При энергии RHIC жесткие процессы (с передачей импульса >> 1 ГэВ/с) играют важную роль в формировании начального состояния, но влияние "мягкой" физики все еще существенно для интерпретации данных. При энергии коллайдера LHC в Европейском центре ядерных исследований открывается новый режим физики соударений тяжелых ионов, в котором жесткие и полужесткие процессы рождения вероятно будут доминировать над мягкими эффектами, а статистика ожидается достаточно высокой для систематического анализа различных аспектов "КХД-физики" в среде с начальной плотностью энергии, намного превышающей критическое значение для кварк-адронного фазового перехода. При прохождении через плотную среду и взаимодействии с ее конституентами, струи партонов изменяют свои первоначальные свойства: направление импульса, энергию и распределение партонов внутри струи. Актуальной проблемой представляется проведение всестороннего анализа возможности детектирования КГП, условий ее формирования и характера пространственно-временной эволюции с помощью "жестких" тестов — адронных струй, жестких адронов, лидирующих частиц в струе и лептонных пар больших инвариантных масс, модификация спектров которых может служить признаком перерассеяния в КГП. В то же время для подготовки к анализу данных, которые будут получены на LHC, актуальной и важной задачей представляется также разработка и оптимизация алгоритмов поиска и реконструкции жестких струй и лидирующих частиц в струях с учетом реальных условий эксперимента, в частности, большой множественности "фоновых" частиц и предельных загрузок детекторов, а также определение глобальных характеристик соударения (центральности).

Диссертация посвящена моделированию множественного рождения частиц и струй в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и изучению условий регистрации различных характеристик ядро-ядерных соударений на установке Компактный мюонный соленоид (CMS) на строящемся в настоящее время в Европейском центре ядерных исследований коллайдере LHC.

Основной целью работы является:

1. Моделирование множественного рождения частиц и струй в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и определение их чувствительности к образованию КГП.

2. Изучение возможности исследования различных физических процессов в соударениях тяжелых ионов и создание методик анализа откликов детекторов установки CMS.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа модификации функции фрагментации струи (в том числе от кварков, "помеченных" лидирующими мюонами) в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и возможности использования калориметрической системы установки CMS для изучения данных эффектов.

2. Результаты исследования корреляции энергетического потока и параметра удара и анализ методики определения параметра удара по энергетическому отклику в области передних калориметров (3 < М < 6.7) установки CMS.

3. Алгоритмы нахождения струй в переднем HF-калориметре (3 < |?7| < 5) и нейтральных пионов в струях в электромагнитном калориметре (—3 < г] < 3) установки CMS в случае соударений тяжелых ионов.

4. Анализ методики мониторирования и калибровки адронного калориметра установки CMS, а также влияние раскалибровки на восстановление канала распада Хиггс-бозона на два таона.

Научная новизна и ценность работы

Проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих нейтральных пионов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, на основе которого продемонстрирована возможность использования данного эффекта для диагностики формирования КГП. Впервые показана возможность наблюдения функции фрагментации струи с лидирующим нейтральным пионом в условиях эксперимента на CMS. Проанализирован канал с рождением инициированных 6-кварками и "меченных" мюонами струй для диагностики КГП. Впервые проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих мюонов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и сделан вывод о его чувствительности к абсолютному значению потерь энергии 6-кварка в КГП и угловому спектру излучаемых в среде глюонов.

Разработаны оригинальные алгоритмы поиска и реконструкции струй в HF-калориметре установки CMS и электромагнитных кластеров в струях в событиях с высокой множественностью. Было показано, что использованные алгоритмы позволяют адекватно решить задачу измерения функции фрагментации в соударениях тяжелых ионов на установке CMS.

Проанализирована методика определения параметра удара для случая соударений тяжелых ионов по корреляции параметра удара с полной (поперечной) энергией, выделяющейся в области передних калориметров установки CMS, а также с числом непровзаимодействовавших нуклонов ядер. Было показано, что достигнутая для РЬ — Рб-соударений точность определения параметра удара позволяет адекватно определить центральность соударений для физического анализа различных каналов.

Разработана оригинальная методика мониторирования адронного калориметра установки CMS, использующая анализ энергетических распределений в башнях калориметра. Было показано, что дисперсия и более высокие моменты распределений чувствительны к понижающейся способности ячеек калориметра регистрировать энергию вследствие накапливающихся радиационных повреждений. Данная методика позволяет определять коэффициенты, характеризующие подавление энергии в калориметре, даже в случае значительного фона и малой загрузки башен сигнальными событиями. Впервые исследована чувствительность канала распада Хиггс-бозона на два таона к изменнеию абсолютной шкалы измеряемой энергии и к неопределенности калибровочных коэффициентов в адронном калориметре установки CMS. Было показано, что гауссово размытие (в разумных пределах) калибровочных коэффициентов незначительно влияет на эффективность отборов для нахождения Хиггс-бозона и разрешение по его массе.

Результаты данной работы важны для изучения ядро-ядерных соударений на установке CMS и могут быть использованы в других международных ускорительных экспериментах.

Vi

Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в отечественных и зарубежных научных журналах, в виде сообщений коллаборации CMS и препринтов НИИЯФ МГУ. Они докладывались на Международной конференции "Quark Matter'2002" (Нант, Франция, 2002), на 5-ой Международной конференции по физике и астрофизике кварк-глюонной плазмы (Калькутта, Индия, 2005), на совещаниях RDMS CMS коллаборации (2002, 2003, 2004), на Ломоносовских чтениях МГУ, а также на научных семинарах в НИИЯФ МГУ и в Европейском центре ядерных исследований (Женева, Швейцария).

Публикации

Представленные в диссертации результаты опубликованы в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Структура диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и приводится общее описание структуры диссертации.

В первой главе приводится обзор научной литературы, обсуждаются общие проблемы, связанные с изучением ядро-ядерных соударений высокой энергии. Также обсуждается возможность формирования кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжелых ионов при энергиях ускорителя LHC, который начнет свою работу в 2007 году.

Во второй главе дается общее описание установки CMS и ее отдельных детекторов. Обсуждается общая научная программа исследований эксперимента CMS. Описана научная программа по изучению ядро-ядерных столкновений на установке CMS. Кроме того, обосновывается необходимость проведения методической работы по созданию алгоритмов реконструкции различного рода процессов в столкновениях тяжелых ионов на установке CMS.

В третьей главе рассматривается программное обеспечение для моделирования ядро-ядерных соударений на установке CMS. Обсуждаются программы-генераторы HIJING, PYTHIA и PYQUEN. Приведено описание программы GEANT-описания установки CMS, адаптированной к моделированию откликов детекторов на ядро-ядерные столкновения.

Четвертая, пятая и шестая главы посвящены разработанным диссертантом методам изучения различных процессов в ядро-ядерных соударениях на установке CMS.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Теплов, Константин Юрьевич

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих нейтральных пионов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, на основе которого демонстрируется возможность использования данного эффекта для диагностики формирования кварк-глюонной плазмы. Показана возможность наблюдения функции фрагментации струи в условиях эксперимента на CMS.

2. Проанализирован канал с рождением инициированных 6-кварками и "меченных" мюонами струй: приведена оценка ожидаемой статистики при реалистичных кинематических обрезаниях и геометрическом аксептансе эксперимента CMS на LHC, сделаны численные расчеты эффекта модификации измеряемой с помощью лидирующих мюонов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и показана его чувствительность к абсолютному значению потерь энергии 6-кварка в кварк-глюонной плазме и угловому спектру излучаемых в среде глюонов.

3. Решена методическая задача поиска и реконструкции жестких струй в HF-калориметре, позволяющая реконструировать струи с эффективностью до 100% (для струй с поперечной энергией > 70 ГэВ) и с энергетическим разрешением 20% и 7% (для струй с поперечной энергией > 40 ГэВ) в случае с фоном и без фона соответственно.

4. Разработан оригинальный алгоритм реконструкции электромагнитных кластеров в струях в событиях с высокой множественностью, который реконструирует кластеры с эффективностью ~ 100% для одиночных 7г° и ~ 90% для лидирующих 7Г° в струе, с энергетическим разрешением ~ 5% и с пространственным разрешением ~ 0.03 по псевдобыстроте и ~ 0.01 по азимутальному углу для 7Г° с поперечной энергией > 40 ГэВ.

5. Разработана методика определения центральности ядро-ядерного взаимодействия, основанная на корреляции между параметром удара и энергетическим выделением в передних калориметрах установки CMS (HF, CASTOR). Рассчитанное на уровне частиц разрешение определения параметра удара составило около 1 фм для всех областей центральности в РЬ—Рб-соударениях. Было также показано на примере соударений Аг — Аг, что полное моделирование откликов HF-калориметра практически не приводит к ухудшению точности определения центральности взаимодействия.

6. Создана программа быстрого моделирования откликов HF-калориметра на соударения тяжелых ионов, позволяющая сэкономить значительное время и компьютерные ресурсы, затрачиваемые на детальное моделирование откликов установки CMS. Эти отклики могут быть в дальнейшем использованы в качестве фона для различных сигнальных событий.

7. Разработана оригинальная методика мониторирования адронного калориметра по энергетическому распределению в его ячейках, позволяющая находить башни калориметра, в которых уменьшилась эффективность регистрации энергии вследствие радиационных повреждений, и определять дополнительные калибровочные коэффициенты для восстановления энергии. Изучено влияние раскалибровки адронного калориметра на канал распада Хиггс-бозона Н —> тт —> струи . Показано, что изменение абсолютной шкалы измеряемой энергии в адронном калориметре на ± 1% приводит к изменению эффективности отборов для нахождения Хиггс-бозона на ± 3%, в то время как гауссово размытие калибровочных коэффициентов на 10-30% приводит к незначительному (в пределах нескольких процентов) изменению эффективности отборов для нахождения Хиггс-бозона.

В заключение я хочу выразить глубокую признательность научным руководителям профессору Людмиле Ивановне Сарычевой и с.н.с. Игорю Петровичу Лохтину за предложенную задачу и помощь в написании диссертации, с.н.с. Ольге Леонидовне Кодоловой, с.н.с. Александру Николаевичу Никитенко и в.н.с. Александру Михайловичу Снигиреву за научные дискуссии, н.с. Сергею Владимировичу Петрушанко за помощь в освоении компьютерных программ, Наталье Петровне Карпинской за помощь при наборе текста диссертации и всем сотрудникам Лаборатории адронных взаимодействий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Теплов, Константин Юрьевич, 2005 год

1. J.Damgov, V.Genchev, V.A.Kolosov, I.P.Lokhtin, S.V.Petrushanko, L.I.Sarycheva, C.Yu.Teplov, S.V.Shmatov, P.I.Zarubin "Heavy ion studies with CMS HF calorimeter", Письма в ЭЧАЯ 107: 93-109, 2001 (CMS Note 2001/055).

2. И.Н.Варданян, И.П.Лохтин, Л.И.Сарычева, А.М.Снигирев, К.Ю.Теплов "Модификация функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях ядер и ее определение в канале с рождением лидирующего 7г° ", ЯФ, том 68, №2: с.357-365, 2005.

3. I.P.Lokhtin, L.I.Sarycheva, A.M.Snigirev, K.Yu.Teplov "Medium-modified fragmentation of fo-jets tagged by a leading muon in ultrarelativistic heavy ion collisions", Eur. Phys. J. С 37: 465-469, 2004

4. И.П.Лохтин, А.Н.Никитенко, С.В.Петрушанко, Л.И.Сарычева, К.Ю.Теплов "Особенности регистрации струй в HF-калориметре установки CMS на LHC", Препринт НИИЯФ МГУ 2002-8/692.

5. И.П.Лохтин, Л.И.Сарычева, К.Ю.Теплов "Определение центральности в соударениях тяжелых ионов с помощью передних калориметров установки CMS на LHC", Препринт НИИЯФ МГУ 2004-22/761.

6. K.Teplov et al, "The study of miscalibration of HCAL", 9th Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, NCPHEP, Minsk, Belarus, 28 November 2 December, 2004, pp.396-410

7. И.П.Лохтин, Л.И.Сарычева, А.М.Снигирев, Физика элементарных частиц и атомного ядра 30, вып.З (1999).

8. L.I.Sarycheva, Nucl. Phys. А 681, 229 (2001).

9. Proc. of Pre-Quark Matter'95 Workshop "Physics with the Collider Detectors at RHIC and LHC", edited by T.Hallman and J.Thomas (Monterey, 1995).

10. А.М.Балдин, ЭЧАЯ 8, 429 (1977).

11. E.V.Shuryak, In Proc. of Quark-Matter'90, Nucl. Phys. A 525, 3 (1991).

12. E.Suhonen, Phys. Lett. В 119, 81 (1982).

13. G.Baym, In Proc. of Quark-Matter'95, Nucl. Phys. A 590, 233 (1995).

14. Д.И.Блохинцев, ЖЭТФ 33, 1295 (1957).

15. V.Jones, Nucl. Phys. A 418, 139 (1984).

16. Y.Takahashi, Nucl. Phys. A 478, 675 (1988).

17. T.K.Gaisser, In Proc. of 15th International Cosmic Ray Conference, 267 (Plovdiv, 1977).

18. J.D.Bjorken, L.McLerran, Phys. Rev. D 200, 2353 (1979).

19. Conceptual Design Report of the Relativistic Heavy Ion Collider, Brookhaven National Laboratory Report BNL-52195 (1989).

20. Design study of the Large Hadron Collider, CERN 91-03 (1991).

21. K.Geiger, B.Muller, Nucl. Phys. В 369, 600 (1992).

22. X.-N.Wang, M.Gyulassy, Phys. Rev. D 44, 3501 (1991); Phys. Rev. D 45, 844 (1992).

23. M.Gyulassy, X.-N.Wang, Preprint LBL 34246 (nucl-th/9502021).

24. B.Andersson, G.Gustafson, Pi Hong, Z. Phys. С 57, 485 (1993).

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

26. Н.С.Амелин, К.К.Гудима, В.Д.Тонеев, ЯФ 51, 1730 (1990).

27. A.Capella, U.Sukhatme, C.I.Tan, Tran Thanh Van J., Phys. Rep. 236, 225 (1994).

28. B.Andersson, G.Gustafson, G.Ingelman, T.Sjostrand, Phys. Rep. 97, 31 (1983).

29. B.Andersson, A.Tai, Z.Phys. С 71, 155 (1996).

30. N.S.Amelin, M.A.Braun, C.Pajares, Phys. Lett. В 306, 312 (1993).

31. С.Merino, C.Pajares, J.Ranft, Phys. Lett. В 276, 168 (1992).

32. K.J.Eskola, X.-N.Wang, Phys. Rev. D 49, 1284 (1994).

33. M.Gyulassy, D.H.Rischke, B.Zhang, Preprint CU-TP-757 (1996).

34. Л.Д.Ландау, Изв. АН СССР, Сер. физ. 179, 51 (1953).

35. D.Bjorken, Phys. Rev. D 27, 140 (1983).

36. И.П.Лохтин, А.М.Снигирев, В.В.Хрущев, ЯФ 60, 125 (1997).

37. I.P.Lokhtin, A.M.Snigirev, Phys. Lett. В 378, 247 (1996).

38. Yu.M.Sinyukov, V.A.Averchenkov, B.Lorstad, Z.Phys. С 49, 417 (1991).

39. A.Leonidov, M.Nardi, H.Satz, Z.Phys. С 74, 535 (1997).

40. Y.Akiba et al (E802 Coll.), In Proc. of Quark-Matter'96, Nucl. Phys.A 610, 139 (1996).

41. S.Ahmad et al (E891 Coll.), Phys. Lett. В 382, 35 (1996).

42. J.Bachler et al. (NA35 Coll.), Phys. Rev. Lett. 72, 1419 (1994).

43. R.Albrecht et al. (WA80 Coll.), Phys. Lett. В 202, 596 (1988); Z.Phys. С 55, 539 (1992).

44. T.Akesson et al. (HELIOS Coll.), Nucl. Phys. В 342, 279 (1990).

45. J.Stachel et al., In Proc. of Quark-Matter'96, Nucl. Phys. A 610, 509 (1996).

46. F.Videbaek et al (E802 Coll.), In Proc. of Quark-Matter'96, Nucl. Phys. A 590, 249 (1996).

47. S.Muroya, H.Nakamura, M.Namiki, Progr. Theor. Phys. Suppl. 120, 209 (1995).

48. U.Ornik et al, Phys. Lett. В 376, 212 (1996).