Влияние ядерной материи на рождение адронов в жестких взаимодействиях нейтрино и заряженных лептонов с ядрами и на дифракционное рассеяние протонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат наук Суетин, Даниил Петрович

• Суетин, Даниил Петрович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Суетин, Даниил Петрович

Оглавление

Стр.

Список сокращений и условных обозначений............. 5

Глава 1. Влияние ядерной среды в жестких адрон—ядерных и лептон—ядерных столкновениях на взаимодействия

адронов с ядрами..................................................21

1.1 Изучение адронизация в е+е- столкновениях........................21

1.2 Лептон-ядерные взаимодействия......................................22

1.3 Адрон-ядерные взаимодействия......................................26

1.3.1 Дифракционная физика........................................27

1.3.2 Процесс Дрелла-Яна..........................................30

1.4 Выводы..................................................................31

1.4.1 Сведения, которые можно получить из

экспериментальных данных....................................32

Глава 2. Влияние ядерной среды на

пространственно—временную картину адронизации

при рассеянии заряженных лептонов на ядрах ...... 34

2.1 Энергетические потери адронов, образованных при рассеянии заряженных лептонов на ядрах .................... 35

2.2 Время формирования ......................... 37

2.2.1 Пертурбативные методы расчета длины формирования адронов, образованных в жестких глубоконеупругих процессах............................ 38

2.2.2 Непертурбативные методы расчета длины формирования адронов, образованных в жестких глубоконеупругих процессах ............................ 38

2.3 Расчет длины формирования предадронов, образованных в жестких глубоконеупругих процессах, с использованием модели

МК генератора НАИОТШС...................... 40

2.4 Многократные мягкие перерассеяния адронов в ядерной среде . . 41

2.5 Исследование влияния ядерной среды на рождение адронов в процессах глубоконеупругого рассеяния заряженных лептонов

на ядрах с помощью МК генератора HARDPING++ ....... 43

2.5.1 Сравнение результатов моделирования HARDPING++ с данными HERMES....................... 43

2.5.2 Сравнение результатов моделирования HARDPING++ с данными CLAS и EMC.................... 59

2.6 Результаты моделирования столкновений заряженных лептонов

с ядрами с рождением адронов.................... 65

2.6.1 Эксперимент HERMES.................... 65

2.6.2 Эксперимент CLAS ...................... 66

2.6.3 Эксперимент EMC....................... 67

2.7 Выводы................................. 68

Глава 3. Влияние ядерной среды на вторичные адроны в

нейтрино—ядерных столкновениях.............. 69

3.1 Нейтринные осцилляции ....................... 69

3.2 Процесс адронизации в нейтрино-ядерных столкновениях .... 72

3.3 Многократные мягкие перерассеяния адронов в нейтрино-ядерных взаимодействиях................. 74

3.4 Влияние ядерной среды на энергетические потери адронов и их конституэнтных кварков в нейтрино-ядерных взаимодействиях . 76

3.4.1 Сравнение результатов моделирования HARDPING++ с данными коллаборации WA59 ................ 77

3.4.2 Сравнение результатов моделирования HARDPING++ с данными коллаборации SCAT ................ 91

3.5 Результаты моделирования нейтрино-ядерных взаимодействий с рождением адронов .......................... 99

3.5.1 Эксперимент WA/59...................... 99

3.5.2 Эксперимент SCAT ......................100

3.6 Выводы.................................100

Глава 4. Изучение взаимодействия адронов с ядерной средой в

адрон—ядерных соударениях..................102

4.1 Изучение влияния ядерной среды на процесс дифракционного

рассеяния протонов на ядрах ..................... 102

4.1.1 Сравнение результатов моделирования HARDPING++ с

данными коллаборации HELIOS...............105

4.2 Изучение взаимодействия адронов с ядерной средой. Реакция

Дрелла-Яна...............................109

4.2.1 Сравнение результатов моделирования HARDPING++ с

данными коллаборации E866 ..................................111

4.3 Результаты моделирования адрон-ядерных столкновений.....117

4.3.1 Эксперимент HELIOS.....................117

4.3.2 Эксперимент E866 ..............................................118

4.4 Выводы.................................118

Заключение...................................120

Список литературы .............................121

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние ядерной материи на рождение адронов в жестких взаимодействиях нейтрино и заряженных лептонов с ядрами и на дифракционное рассеяние протонов»

Актуальность темы. Хорошо известно, что при столкновениях адронов и лептонов с адронами и ядрами при высоких энергиях на какое-то время образуется система из кварков и глюонов. Процесс, в ходе которого кварки и глюоны превращаются в адроны, называется адронизацией.

Изучить пространственно-временную картину адронизации можно используя ядра в качестве мишени. Из-за того что, кварки и глюоны, проходя через ядерную среду, меняют свои характеристики, дифференциальные сечения рождения адронов на ядрах будут отличаться от аналогичных на свободном нуклоне, поэтому ядерная среда является аналогом детектора, расположенного вплотную к точке реакции [1]. Изучение сечений рождения частиц на ядрах позволяет выяснить особенности взаимодействия системы кварков и глюонов с ядерной средой, а также восстановить, как быстро или, что эквивалентно, на каком расстоянии от точки жесткого взаимодействия партонная система связывается в адрон.

В рамках математического моделирования получить такую информацию с помощью метода Монте-Карло (МК).

В настоящей работе разработан МК генератор жестких лептон-ядер-ных (l-A) и адрон-ядерных (h-A) столкновений HARDPING++ (HARD Probe INteraction Generator). Заложенная в МК генератор HARDPING++ модель учитывает перерассеяния и энергетические потери адронов до и после жесткого взаимодействия, а также время их формирования.

Для адронизации в HARDPING++ используется Лундовская струнная модель [2] с двумя стадиями: первая — пертурбативная, на ней партон теряет энергию за счет жесткого глюонного излучения, описываемого пертурбативной квантовой хромодинамикой (КХД); вторая — непертурбативная, на этой стадии для описания энергетических потерь используется модель цветных струн.

Данная работа посвящена изучению механизма жестких l-A и h-A взаимодействий с использованием МК генератора HARDPING++.

Актуальность диссертационной работы обусловлена отсутствием общепризнанного подхода изучения взаимодействия с ядерной средой кварков и глюонов, образовавшихся в жестких l-A и h-A взаимодействиях и отсутствием общепризнанного подхода для описания пространственно-временной картины адронизации в жестких l-A и h-A взаимодействиях.

Целью данной работы является получение результатов исследования влияния ядерной среды на спектры частиц, рожденных в жестких l-A и h-A взаимодействиях.

Задачи исследования:

1. Разработка МК генератора HARDPING++, позволяющего моделировать жесткие l-A и h-A взаимодействия и учитывающего такие эффекты как: перерассеяния адронов на нуклонах ядра, их энергетические потери в ядерной среде, время формирования адронов и их составляющих кварков.

2. Определение значения коэффициента энергетических потерь к кварков адронов в ядерной среде в процессах: дифракционного рассеяния протонов на ядрах; Дрелла-Яна на ядрах; жесткого взаимодействия нейтрино, анти-нейтрино, электронов, позитронов и мюонов с ядрами.

3. Определение значения кварк-нуклонного сечения aqN в процессах: дифракционного рассеяния протонов на ядрах; Дрелла-Яна на ядрах; жесткого взаимодействия нейтрино, анти-нейтрино, электронов, позитронов и мюонов с ядрами.

Научная новизна: Впервые показано что:

1. Коэффициент энергетических потерь к кварков адронов в ядерной среде одинаков в случаях жесткого взаимодействия нейтрино и заряженных лептонов с ядрами и в случаях процесса дифракции протонов на ядрах и равен 2.5 ГэВ/фм;

2. Сечение взаимодействия кварков адронов с ядерной средой, так называемое кварк-нуклонное сечение aqN, одинаково в случаях жесткого взаимодействия нейтрино и заряженных лептонов с ядрами и в случаях процесса дифракции протонов на ядрах и равно 10 мб.

Практическая значимость: Полученные в диссертации результаты и разработанный Монте-Карло генератор жестких l-A и h-A столкновений HARDPING++ можно использовать при анализе экспериментальных данных CERN, FNAL, BNL, GSI, ИФВЭ, ОИЯИ. Полученные результаты будут полезны для нейтринных экспериментов, таких как NOvA, DUNE.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Коэффициент энергетических потерь к кварков в ядерной среде оказался одинаков в случаях:

• дифракционного рассеяния протонов на ядрах бериллия, алюминия, вольфрама, при энергии налетающих протонов 450 ГэВ;

• процесса Дрелла-Яна на ядрах вольфрама и бериллия при энергии налетающих протонов равной 800 ГэВ;

• жесткого взаимодействия:

о нейтрино со средней энергией 54 и 10 ГэВ с ядрами неона и с ядрами с эффективным атомным номером А = 28, соответственно;

о анти-нейтрино со средней энергией 40 ГэВ с ядрами неона;

о электронов с энергией 5 ГэВ с ядрами углерода, железа и свинца;

о позитронов с энергией 27.6 ГэВ с ядрами гелия, неона, ксенона;

о мюонов с энергией 280 ГэВ с ядрами меди. Таким образом, показано, что коэффициент энергетических потерь кварков в ядерной среде к — величина, не зависящая от сорта и энергии налетающих частиц, атомного номера ядра, а также типа жесткого процесса, и равен 2.5 ГэВ/фм.

2. Сечение кварк-нуклонного взаимодействия оказалось одинаково в случаях:

• дифракционного рассеяния протонов на ядрах бериллия, алюминия, вольфрама, при энергии налетающих протонов 450 ГэВ;

• процесса Дрелла-Яна на ядрах вольфрама и бериллия при энергии налетающих протонов равной 800 ГэВ;

• жесткого взаимодействия:

о нейтрино со средней энергией 54 и 10 ГэВ с ядрами неона и с ядрами с эффективным атомным номером А = 28, соответственно;

о анти-нейтрино со средней энергией 40 ГэВ с ядрами неона;

о электронов с энергией 5 ГэВ с ядрами углерода, железа и свинца;

о позитронов с энергией 27.6 ГэВ с ядрами гелия, неона, ксенона;

о мюонов с энергией 280 ГэВ с ядрами меди. Таким образом, показано, что сечение кварк-нуклонного взаимодействия aqN — величина, не зависящая от сорта и энергии налетающих частиц, атомного номера ядра, а также типа жесткого процесса, и равна 10 мб.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: «Ядро 2013» (Москва), «Hadron Structure 2013» (Штрба, Словакия), «Quarks 2014» (Суздаль), «Ядро 2014» (Минск), «HSQCD 2014» (Гатчина), «Quark Confinement 2014» (Санкт-Петербург), «Ядро 2015» (Санкт-Петербург), «Quarks 2016» (Пушкин), «HSQCD 2016» (Гатчина). А также на зимних школах ПИЯФ (2014, 2016 годы, Санкт-Петербург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы, реферируемые в базах SCOPUS и WEB OF SCIENCE.

Содержание работы

Введение содержит актуальность, цели и задачи, новизну и краткое содержание диссертационного исследования. Во введении сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложено современное состояние исследований реакций глубоконеупругого рассеяния лептонов на ядрах с рождением адронов, процесса дифракционного рассеяния протона на ядрах и процесса Дрелла-Яна при столкновении протонов с ядрами.

В главе рассматриваются основные кинематические переменные, используемые для описания этих процессов.

Обсуждаются модель пространственно-временной картины адронизации при рассеянии лептонов на ядрах и модель энергетических потерь адронов в адрон-ядерных столкновениях.

Описаны основные физические величины (сечение неупругого кварк-нуклонного взаимодействия aqN [мб] и коэффициент энергетических потерь кварков в ядерной среде к [ГэВ/фм]), которые могут быть определены из сравнения экспериментальных данных с МК моделированием.

Вторая глава посвящена изучению влияния ядерной среды на спектры адронов, рожденных в столкновениях заряженных лептонов с ядрами.

В этой главе подробно рассмотрен процесс адронизации и формирования адронов в столкновении заряженных лептонов с ядрами. Рассмотрен эффект Ландау-Померанчука-Мигдала в КХД [3], в результате которого выбитый в жестком процессе кварк некоторое время распространяется в ядре без взаимодействия со средой.

В рассматриваемой модели выбитый кварк — точечный объект, который имеет пренебрежимо малое сечение взаимодействия с ядерной средой. В дальнейшем выбитый кварк образует некую бесцветную систему, которая может взаимодействовать с внутриядерными нуклонами с сечением меньшим, чем адронное. На последней стадии формируется конечный адрон, взаимодействие которого с нуклонами аналогично взаимодействию при адрон-нуклонных столкновениях. Приведена модель многократных перерассеяний вторичных адронов и их составляющих кварков в ядерной среде. Импульсное распределение кварков в нуклоне /р может быть записано в виде:

В 2

и (р«) = ^-Вгн,

где В = 2/кд, кд — среднее значение импульса партона в нуклоне. Импульсное распределение нуклонов ff в ядре имеет вид:

к2

^ (к/0 =

/ ля

п

где В^ = 4(kf), (к/) — среднее значение импульса нуклона в ядре. Результирующим импульсом будет свертка этих двух распределений:

¡¡р (ки) = < // = J /р (р^) // (к/г) 52 (ки - рй - кц) (12ри(!2к¡г.

После первого мягкого перерассеяния кварк начинает терять энергию пропорционально пройденному им пути в ядерной материи с коэффициентом пропорциональности к,, а также из-за столкновений с внутриядерными нуклонами будет набирать дополнительный поперечный импульс, пропорциональный сечению неупругого кварк-нуклонного взаимодействия . Многократные перерассеяния кварка на нуклонах ядра увеличат путь кварка в ядерной среде, что приведет к дополнительным энергетическим потерям.

На рисунке 1 изображена зависимость отношения выхода заряженных адронов Яд на ядрах от доли импульса виртуального фотона г, которую несет

ЯА (Z)

1.0 0.9 0.8

1.0

0.8 0.6 0.4

1.0

0.8 0.6 0.4

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2t

: 1 •

\ *T " f M ■t 1

- 1 | f • -t

: Hi * a) Ni i 6

" : _ i •

- " ¥ ■ ¥ ■ • ' f * - - -t ■ ¥ ■ 9 ■ * ■f V ■ ■ 4

Кг в) ♦ : X .,., e r) 4

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 Z

• ■ •

; •*• • •• Wu • •

• • • • ■

с Д) PU я ■

: • •

_

: • ■ ■ ■■■ -Л.

■ • •1. ■ ■ ■

Fe Ж) • • ••• • • ( \ i ... \

.... > i . i • • V ^ Ll i) i i . . i . . i 1 i . . ....

0.1 0.3

0.5 0.7 0.9 0.1

0.3 0.5

0.7

0.9 Z

Рисунок 1 — Зависимость отношения выхода ^-мезонов на ядрах а) гелия; б) неона; в) криптона; г) ксенона; д) углерода; е) свинца; ж) железа; и всех заряженных адронов на ядре з) меди от доли импульса виртуального фотона

z, которую несет адрон, к аналогичному выходу на дейтерии в реакции глубоко-неупругого рассеяния лептонов на ядрах. На рисунках а), б), в) и г) фиолетовыми кругами обозначены данные HERMES [4], оранжевыми квадратами — моделирование HARDPING++. На рисунках д), е) и ж)

красными кругами — данные коллаборации CLAS [5], синими квадратами — моделирование HARDPING++. На рисунке ж) синими квадратами изображено моделирование HARDPING++, зелеными — данные коллаборации EMC [6]. Моделирование проводилось со значением энергии налетающих позитронов Ее+ = 27.6 ГэВ, электронов Ее- = 6 ГэВ и мюонов Е^ = 280 ГэВ соответственно. При моделировании использовалось сечение кварк-нуклонного взаимодействия aqN = 10 мб и коэффициент энергетических потерь к = 2.5 ГэВ/фм.

*a(v) 1.1

1.0 0.9

o.8:

1.0 0.8 0.6 0.4

Г Не 1 1 1 к 1,1" О ; N ie <

гт г тг < ' 1 и 1 1 ц L. Н|_" НН--

; а) 1 тт т т

: 4 f О)

- -

Kl т..........1..... и X е < *

-Я- » H ■ -»- * *

« • в) { • Т Г)

10 14

18

22

10 12 18 V ГэВ

Ra{p2T)

1.1

1.0 0.9 0.8

1.0 0.8 0.6 0.4

Не . i - À | ; N( 1..................... 1 •

++ | * •

- д) Ti ♦ч H . . , e) . . .

; . . 1 , . .

- r

Кг »■f Xt

La ■ , , , f-* . , , * I Я

. , ж) . . ... i,.. . L , ш 3) ! , , ,

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 0.2 0.6 1.0 /^ГэВ2/с2

Рисунок 2 — Зависимость отношения выхода ^-мезонов на ядрах а) гелия, б) неона, в) криптона и г) ксенона от энергии виртуально фотона v и зависимость отношения выхода ^-мезонов на ядрах д) гелия, е) неона, ж) криптона и з) ксенона от квадрата поперечного импульса ^-мезонов при z > 0.7 к аналогичному выходу на дейтерии в реакции глубоко-неупругого рассеяния позитронов на ядрах. Фиолетовыми кругами обозначены экспериментальные данные коллаборации HERMES [4], оранжевыми квадратами — моделирование HARDPING++. Моделирование проводилось c сечением кварк-нуклонного взаимодействия aqN = 10 мб и значением коэффициента энергетических потерь к = 2.5 ГэВ/фм. Моделирование HARDPING++ проводилось со значением энергии налетающих позитронов

Ее+ = 27.6 ГэВ.

адрон, к аналогичному выходу на дейтроне в реакции глубоконеупругого рассеяния заряженных лептонов на ядрах. В области z ^ 1 отношение становится меньше единицы. Это происходит из-за того, что быстрые адроны, несущие практически всю энергию виртуального фотона, замедляются в ядерной материи и уходят в другую кинематическую область. На рисунке 2 изображена зависимость отношения выхода ^-мезонов на ядрах от импульса виртуального фотона V и от квадрата поперечного импульса ^-мезонов при z > 0.7 к аналогичному выходу на дейтерии в реакции глубоко-неупругого рассеяния лептонов на ядрах. Отношение выхода адронов в зависимости от энергии v фотона меньше единицы в области малых v и стремится к единице с увеличением v, так как длина формирования адронов пропорциональна v, и при больших значениях v практически все адроны формируются за ядром, тогда как в области малых v адроны начинают формироваться внутри ядра. Отношение выхода адронов в зависимости от квадрата поперечного импульса ^-мезонов меньше единицы в области малых поперечных импульсов и растет примерно до 2 ГэВ2/с2. Вследствие многократных перерассеяний ^-мезоны набирают дополнительный поперечный импульс, тем самым увеличивая количество частиц с большим поперечным импульсом и уменьшая количество частиц с меньшим. Тот факт, что отношение не доходит до единицы, связан с поглощением ^-мезонов в ядерной среде. Все эти отношения будут зависеть от того, как сильно кварки будут терять энергию в ядре и как интенсивно будут перерассеиваться на нуклонах ядра. Исследование этих зависимостей позволит судить о величине энергетических потерь к и о величине кварк-нуклонного сечения aqN.

Параметр к,, характеризующий энергетические потери, и параметр aqN, характеризующий интенсивность взаимодействия кварков адронов с внутриядерными нуклонами, определяются из наилучшего согласия моделирования методом МК с экспериментом.

Разработанный МК генератор позволил описать экспериментальные данные по образованию адронов в жестких лептон-ядерных взаимодействии при энергиях коллабораций HERMES, CLAS и EMC [4, 5, 6]. Сравнение экспериментальных данных с моделированием HARDPING++ представлено на рисунках 1, 2.

Третья глава посвящена изучению влияния ядерной материи на спектры адронов, рожденных в столкновениях нейтрино и анти-нейтрино с ядрами.

В данной главе отмечаются особенности, возникающие при изучении взаимодействия нейтральных лептонов с ядрами, их отличие от взаимодействий заряженных лептонов с ядрами.

Указана важность учета энергетических потерь адронов, рожденных в нейтрино-ядерных столкновениях для корректного проведения нейтринных ос-цилляционных экспериментов.

Описан процесс адронизации и формирования адронов в столкновении нейтрино и анти-нейтрино с ядрами. Описаны пертурбативные и непертурбатив-ные энергетические потери адронов, образованных при рассеянии нейтральных лептонов на ядрах. Приведена модель многократных перерассеяний вторичных адронов и их составляющих кварков в ядерной среде.

Как и в случае глубоконеупругого рассеяния заряженных лептонов на ядрах в процессе жесткого взаимодействия нейтрино и анти-нейтрино с ядрами после первого мягкого соударения кварк адрона начинает терять энергию пропорционально пройденного им пути в ядерной среде.

Вследствие многократных перерассеяний кварка на внутриядерных нуклонах, путь кварка в ядерной среде будет увеличиваться пропорционально сечению неупругого кварк-нуклонного взаимодействия .

На рисунке 3 изображена зависимость отношения выхода заряженных адронов на ядрах от доли импульса виртуального W-бозона ^, которую несет адрон, к аналогичному выходу на протоне а), б) и дейтроне в) в реакции жесткого взаимодействия нейтрино и анти-нейтрино с ядрами. В области ^ ^ 1 это отношение становится меньше единицы. Это происходит из-за того, что быстрые адроны, несущие практически всю энергию виртуального W-бозона, замедляются в ядерной материи и уходят в другую кинематическую область.

Зависимость отношения выхода адронов от доли импульса виртуального W-бозона которую несет адрон, будет связана с тем, как сильно быстрые адроны замедляются в ядре и с тем как интенсивно кварки адронов будут перерассеиваться на нуклонах ядра.

Параметр к,, характеризующий энергетические потери, и параметр , характеризующий интенсивность взаимодействия кварков адронов с ядерной средой, определяются из наилучшего согласия моделирования методом МК с экспериментом. Разработанный МК генератор позволил описать эксперимен-

Nc 1.0

0.9 0.8 0.7

1.0

0.9 0.8 0.7 0.6

—t-

a)

6)

—V—

-t-

0.2

0.3 0.4 0.5 0.6

0.7

0.8

0.9 Z

(Z)

1.0 0.9 0.8 0.7

0.6

111^

о < 1 4 »

Е-т— — — -т— -▼— -- -■▼— "-■▼— >

4 —у— 4 rf-> —t—

Я ......

_____ , , , , , , , I,,, , , , , ,,,,

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Рисунок 3 — Отношение выходов адронов на неоне к протону а), б) и отношение выходов положительно заряженных адронов на ядре с эффективным атомным номером A = 28 к дейтрону в) в зависимости от доли энергии виртуального W бозона z, которую несет адрон для взаимодействия а) нейтрино; б) анти-нейтрино с ядрами неона; в) нейтрино с ядром A = 28. Синими кругами обозначены данные коллаборации WA59 [7] и SCAT [8], красными треугольниками — результат моделирования HARDPING++. Моделирование проводилось c сечением кварк-нуклонного взаимодействия. aqN = 10 мб и значением коэффициента натяжения струны к = 2.5 ГэВ/фм. Моделирование HARDPING++ проводилось со средним значением энергии налетающих а) нейтрино (Е)v = 54 ГэВ; б) анти-нейтрино (Е= 40 ГэВ;

в) нейтрино (Е)v = 10 ГэВ.

тальные данные по образованию адронов в жестких взаимодействиях нейтрино и анти-нейтрино с ядрами, полученные в экспериментах WA/59 и SCAT [7, 8]. Данные коллабораций WA/59 и SCAT вместе с моделированием HARDPING++ представлены на рисунке 3.

Четвертая глава посвящена изучению взаимодействия адронов с ядерной средой в h-A столкновениях. Для изучения взаимодействия адронов с ядерной материей в h-A столкновениях был выбран процесс дифракции протонов на ядрах и процесс Дрелла-Яна на ядрах.

В процессе дифракции налетающий протон после жесткого взаимодействия остается в конечном состоянии, и по разности начальной и конечной энергии протона можно непосредственно изучить энергетические потери протона в ядерной среде. На рисунке 4 изображено дифференциальное сечение одиночной дифракции протонов на ядрах в зависимости от переменной £ = 1 — хр. Переменная Фейнмана хр определяется как отношение продольного импульса дифракционного протона к максимально возможному, тем самым £ представляет собой относительные энергетические потери протона.

Процесс Дрелла-Яна на ядрах позволяет изучить энергетические потери протона до жесткого соударения, так как после жесткого процесса, образовавшаяся лептонная пара не взаимодействует с ядром. На рисунке 5 изображено отношение выхода лептонных пар на ядрах вольфрама и железа к аналогичному выходу на бериллии в зависимости от переменной Фейнмана хр, которая определяется как отношение продольного импульса лептонной пары на максимально возможный.

Из-за энергетических потерь и многократных перерассеяний кварков в ядерной среде будет изменяться продольная компонента импульса как дифракционного протона так и лептонной пары. Коэффициент энергетических потерь к и кварк-нуклонное сечение aqN определяются из наилучшего согласия моделирования методом МК с экспериментом.

Разработанный МК генератор позволил описать экспериментальные данные коллаборации HELIOS по дифракции протонов на ядрах и экспериментальные данные коллаборации E866 по рождению лептонных пар на ядрах. Данные коллабораций HELIOS и E866 [9, 10] вместе с моделированием HARDPING++ представлены на рисунках 4 и 5 соответственно.

В заключении приведены результаты и выводы диссертационной работы.

dü

SD

[mb

800 600 400 200

1000 600 200

1500 1000 500

—

• E ie

Е jj ' V

А*

— 1.11.....W é......t i" 4ré é é

t...............

Al

= • /11

Á А f .....................................................................................

dt

.......■..........i......... i.....>.......■ ■ ■ ' i....... Н * 4 + . . i i ..........1...........i............;.........■■........ A-A A A-A-A ^........®........í.......i®-- И

Sí

V V

- ^ f ^^ ..............'.................... » к kití WI ..............................v...............................i................................................................¡................................i AA A-A A-A A A » » * » - •

0.00

0.02

0.04

0.06

Рисунок 4 — Зависимость дифференциального сечения одиночной дифракции протонов на ядрах: а) бериллия; б) алюминия; в) вольфрама от переменной £. Розовыми квадратами изображены данные коллаборации HELIOS [9], синими кругами обозначены результаты моделирования HARDPING++ без ядерных эффектов, коричневыми треугольниками изображено моделирование HARDPING++ со значением коэффициента натяжения струны к = 2.5 ГэВ/фм и со значение сечением кварк-нуклонного взаимодействия

aqN = 10 мб.

Рисунок 5 — Отношение выхода лептонных пар на ядре а) вольфрама; б) железа к аналогичному выходу на бериллии в зависимости от переменной Фейнмана хр. Черными квадратами обозначены данные коллаборации Е866 [10], красными треугольниками — моделирование НАКБРШО++ со значением коэффициента натяжения струны к = 2.5 ГэВ/фм и со значением сечения кварк-нуклонного взаимодействия = 10 мб.

Результаты диссертационной работы:

1. Разработан МК генератор НАКБРШО++ для моделирования жестких лептон-ядерных и адрон-ядерных взаимодействий с учетом мягких перерассеяний и энергетических потерь адронов в ядерной среде. В генераторе также учтено время формирования адронов после жесткого процесса.

2. Зафиксирован коэффициента энергетических потерь к = 2.5 ГэВ/фм в процессах: дифракционного рассеяния протонов на ядрах бериллия, алюминия, вольфрама при энергии налетающих протонов 450 ГэВ; Дрелла-Яна на ядрах вольфрама и бериллия при энергии налетающих протонов равной 800 ГэВ; жесткого взаимодействия нейтрино со средней энергией равной 54 и 10 ГэВ с ядрами неона и с ядрами с эффективным атомным номером А = 28, соответственно; жесткого взаимодействия анти-нейтрино со средней энергией 40 ГэВ с ядрами неона; глубоконеупругого рассеяния электронов с энергией 5 ГэВ на ядрах углерода, железа и свинца; глубоконеупругого рассеяния позитронов с энергией 27.6 ГэВ на ядрах гелия, неона, ксенона; глубоконеупругого рассеяния мюонов с энергией 280 ГэВ на ядрах меди.

3. Зафиксировано значение кварк-нуклонного сечения = 10 мб в процессах: дифракционного рассеяния протонов на ядрах бериллия, алюминия, вольфрама при энергии налетающих протонов 450 ГэВ; Дрелла-Яна на ядрах вольфрама и бериллия при энергии налетающих протонов равной 800 ГэВ; жесткого взаимодействия нейтрино со средней энергией равной 54 и 10 ГэВ с ядрами неона и с ядрами с эффективным атомным номером А = 28, соответственно; жесткого взаимодействия анти-нейтрино со средней энергией 40 ГэВ с ядрами неона; глубоконеупругого рассеяния электронов с энергией 5 ГэВ на ядрах углерода, железа и свинца; глубоконеупругого рассеяния позитронов с энергией 27.6 ГэВ на ядрах гелия, неона, ксенона; глубоконеупругого рассеяния мюонов с энергией 280 ГэВ на ядрах меди.

Выводы:

1. Показано, что мягкие перерассеяния и энергетические потери адронов и их конституентных кварков в конечном состоянии играют важную роль в процессе жесткого взаимодействия нейтрино и заряженных леп-тонов на ядрах.

2. Показано, что энергетические потери кварков налетающего адрона играют важную роль при дифракционном рассеянии протонов на ядрах.

3. Определен коэффициент натяжения цветовой струны к,, который равен 2.5 ГэВ/фм, и величина кварк-нуклонного сечения , которая составила 10 мб. Эти величины не зависят от начальной энергии на-

летающих частиц, сорта налетающих частиц и атомного номера ядер мишени в широком диапазоне энергий. Публикации автора по теме работы

Содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях [11, 12, 13, 14].

Глава 1. Влияние ядерной среды в жестких адрон—ядерных и лептон—ядерных столкновениях на взаимодействия адронов с

ядрами

Удержание кварков и глюонов в адронах одна из нерешенных проблем адронной физики [4, 15]. Для решения этой проблемы изучаются адронные взаимодействия в холодной и в горячей ядерной среде [4, 16, 17]. Примерами изучения рождения адронов в ядерной среде являются рассеяние: лептонов и адронов на ядрах, столкновения тяжелых ионов [4]. В этих случаях выход адронов отличен от наблюдаемого выхода адронов на свободном нуклоне. Отклонение дифференциальных сечений образования вторичных адронов на ядре от дифференциальных сечений образования вторичных адронов на свободном нуклоне дает информацию о влиянии ядра на процесс адронизации [4]. Адро-низация — процесс, в ходе которого свободные кварки и глюоны связываются в адроны. Согласно теоретическим оценкам, адронизация происходит на расстояниях порядка ферми, на таких пространственных масштабах константа сильного взаимодействия становится велика и методы теории возмущений становятся неприменимыми [4]. Таким образом, адронизация всегда непертурбативный КХД процесс. Для ее описания на данный момент доступны лишь теоретические приближения [4, 16, 17]. В настоящее время наиболее используемыми моделями адронизации являются струнная (Лундская) и кластерная [18,19]модели.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Суетин, Даниил Петрович

Заключение

В диссертационной работе

1. показано, что мягкие перерассеяния и энергетические потери адронов и их конституентных кварков играют важную роль в процессе жесткого взаимодействия нейтрино и заряженных лептонов на ядрах и при при дифракционном рассеянии протонов на ядрах;

2. определен коэффициент натяжения цветовой струны к,, который равен 2.5 ГэВ/фм, и величина кварк-нуклонного сечения , которая составила 10 мб. Эти величины не зависят от начальной энергии налетающих частиц, сорта налетающих частиц и атомного номера ядер мишени в широком диапазоне энергий.

В заключение автор выражает благодарность и большую признательность Бердникову Я.А. и Киму В.Т. за поддержку, помощь, обсуждение результатов и научное руководство.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Суетин, Даниил Петрович, 2016 год

Список литературы

[1] Николаев, Н.Н. Кварки во взаимодействиях лептонов, фотонов и адро-нов высокой энергии с ядрами [Текст] /Н.Н. Николаев // Успехи физических наук - 1981. - Т. 134. - С. 369-430.

[2] Sjostrand, T. Pythia 6.4 physics and manual [Текст] / T. Sjostrand, S. Mrenna, P. Skands //J. High Energy Phys. - 2006. - Vol. 0605. - P. 026-599.

[3] Levin E. Landau-Pomeranchuk-Migdal effect for nuclear medium in QCD / E. Levin // e-Print Archive — 1995. hep-ph 9508414.

[4] Airapetian A. Hadronization in semi-inclusive deep-inelastic scattering on nuclei [Текст]/, A. Airapetian, N. Akopov, etc// Nucl. Phys. — 2007. — Vol. B780. — P. 1-27

[5] Kawtar Hafidi Dynamics Of Hadronization From Nuclear Semi Inclusive Deep Inelastic Scattering [Текст] / Kawtar Hafidi // AIP Conf.Proc. — 2006.

— Vol. 870. — P. 669-672.

[6] Ashman J. Comparison of forward hadrons produced in muon interactions on nuclear targets and deuterium [Текст] / J. Ashman, B. Badelek, G. Baum // Zeitschrift für Physik — 1991. — Vol. C52(1). — P. 1-11.

[7] Burkot W. Nuclear attenuation of fast hadrons produced in charged-current v and v interactions in neon [Текст] / W. Burkot, , T. Coghen, J. CzyZewski // Zeitschrift für Physik — 1996. — Vol. C70(1). — P. 47-53.

[8] Agababyan N.M. Effect of Nuclear Matter on the Production of Hadrons in Deep-Inelastic Neutrino Scattering [Текст] / N. M. Agababyan, V. V. Ammosov, M. R. Atayan // Physics of Atomic Nuclei — 2003. — Vol. 66(7).

— P. 1310-1318.

[9] Akesson T. Diffraction dissociation of nuclei in 450 GeV/c proton-nucleus collisions [Текст] T. Akesson, S. Almehed, A. L. S. Angelis // Zeitschrift für Physik — 1991. — Vol. C49(3). — P. 355-366.

[10] Beddo M.E. Parton energy loss limits and shadowing in Drell-Yan dimuon production [Текст] / M.E. Beddo, C.N. Brown, T.A. Carey, [et al.] // Phys. Rev. Lett. — 1999. — Vol. 83. — P. 2304-2307.

[11] Berdnikov, Ya.A Hard processes in p-A collisions with MC generator HARDPING 3.0 [Текст] / Ya.A. Berdnikov, A.E. Ivanov, V.T. Kim, V.A. Murzin D.P Suetin// Nucl. Phys. B. Proc. Suppl. — 2013. Vol. 245. — P. 267—270.

[12] Berdnikov, Ya.A Investigating the effect of a nuclear medium on hard lepton- and hadron-nucleus collisions using the HARDPING Monte Carlo event generator [Текст]/ Ya.A. Berdnikov, A.E. Ivanov, V.T. Kim, D.P Suetin// Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics — 2015. Vol.79(7). — P. 925-929.

[13] Berdnikov, Ya.A MC generator HARDPING: nuclear effects in hard interactions of leptons and hadrons with nuclei [Текст] / Ya.A. Berdnikov, A.E. Ivanov, V.T. Kim, D.P Suetin // AIP Conference Proceedings — 2016. Vol. 1701 — art. no — 080005.

[14] Berdnikov, Ya.A MC generator HARDPING: nuclear effects in hard interactions of leptons and hadrons with nuclei [Текст] / Ya.A. Berdnikov, A.E. Ivanov, V.T. Kim, D.P Suetin // AIP Conference Proceedings — 2016. Vol. 1701 — art. no — 080005.

[15] Domdey S. Transverse momentum broadening in semi-inclusive DIS on nuclei [Текст] / S. Domdey, D. Grünewald, B.Z. Kopeliovich // Nucl. Phys. — 2009.

— Vol. A825. — P. 200-211.

[16] Accardi, A Hadron production in deep inelastic lepton-nucleus scattering [Текст] / A. Accardi, V. Muccifora, H.J. Pirner // Nucl. Phys. — 2003.

— Vol. A720. — P. 131-157.

[17] Accardi, A Atomic mass dependence of hadron production in deep inelastic scattering on nuclei [Текст] / A. Accardi, D. Grunewald, V. Muccifora, H.J. Pirner // Nucl. Phys. — 2005. — Vol. A761. — P. 67-96.

[18] Bialas, A. Formation time in the lund model [Текст] / A. Bialas // proceedings of the conference Cracow Hvy. Ion Wkshp. — 1987.— P. 0181-0190.

[19] Andersson, B Lund model and an outside-inside aspect of the inside-outside cascade [Текст] / A. Bialas, M. Gyulassy // Nucl. Phys. — 1987. — Vol. B291.

— P. 793-819.

[20] Kopeliovich, B.Z. Nuclear hadronization: Within or without? [Текст] / B.Z. Kopeliovich, J. Nemchik, E. Predazzi, A. Hayashigaki // Nucl. Phys. — 2004.

— Vol. A740. — P. 211-244.

[21] Wang, E. Jet tomography of dense and nuclear matter [Текст] / E. Wang, X.N. Wang // Phys. Rev. Lett. — 2002. — Vol. 89. — P. 162301-162304.

[22] Arleo, F. Quenching of hadron spectra in DIS on nuclear targets [Текст] / F. Arleo // Eur. Phys. J. — 2003. — Vol. C30. — P. 213-221.

[23] Gyulassy, M. Jet quenching in lepton-nucleus scattering [Текст] / M. Gyulassy, M. Plumer // Nucl. Phys. — 1990. — Vol. B346. — P. 1-16.

[24] Falter, T. Hadron attenuation in deep inelastic lepton-nucleus scattering [Текст] / T. Falter, W. Cassing, K. Gallmeister, U. Mosel // Phys. Rev. — 2004.

— Vol. C70. — P. 054609-054669.

[25] Akopov, N.Z. Nuclear attenuation of charged mesons in deep-inelastic scattering [Текст] / N.Z. Akopov, G.M. Elbakian, L.A. Grigoryan // e-Print Archive — 2002. hep-ph:0205123.

[26] Barone, V High-Energy Particle Difraction Springer [Текст] /V. Barone, E. Predazzi // Springer, 2002.

[27] Donnachie, S Pomeron Physics and QCD [Текст] /S. Donnachie, O. Nachtmann, P.V. Landsho, G. Dosch //Cambridge, 2002.

[28] Casher, A Chromoelectric flux tube model of particle production [Текст] / A. Casher, H. Neuberger, S. Nussinov // Phys. Rev. — 1979. — Vol. D20.

— P. 179-188.

[29] Niedermayer, F Flux tube or bremsstrahlung? [Текст] / F. Niedermayer // Phys. Rev. — 1986. — Vol. D34. — P. 3494-3506.

[30] Канчели, О.В. Неупругие взаимодействия быстрых адронов с ядрами [Текст] / О.В. Канчели // Письма ЖЭТФ — 1973. — Т. 18. — С. 465-468.

[31] Bjorken, J.D. High transverse momentum hadron-hadron collisions [Текст] / J.D. Bjorken // Acta Phys.Polon. — 1975. — Vol. B5. — P. 893-906.

[32] Kopeliovich, B.Z. Hadronization in nuclear environment [Текст] / B.Z. Kopeliovich, J. Nemchik, E. Predazzi // Heidelberg MPI Kernphys. — 1996.

— Vol. 29. — P. 7-11.

[33] Andersson, B. The Lund model [Текст] / B. Andersson // Camb. Monogr. Part. Phys. Nucl. Phys. Cosmol. — 1998. — Vol. 7. — P. 1-471.

[34] Bialas, A. Attenuation of colored strings in nuclear matter [Текст] / A. Bialas, J. Czyzewsk // Phys. Lett. — 1989. — Vol. B222. — P. 132-139.

[35] Voloshin, S.A. Role of hard and soft quark nucleon collisions in the A-dependence of production of high рт hardrons in interactions with nuclei [Текст] / S.A. Voloshin, Y.P. Nikitin // JEPT Lett.— 1982. — Vol. 36. —P. 201-204.

[36] Lykasov, G.I. Large transverse momentum meson production in the proton nucleus interaction in the quark model [Текст] / G.I. Lykasov, B.K. Sherkhonov // Yad. Fiz. — 1983. — Vol. 38. — P. 704-711.

[37] Ефремов, А.В. Природа EMC эффекта [Текст] / А.В. Ефремов, В.Т. Ким, Г.И. Лыкасов // Ядерная Физика. — 1986. — Т. 44. — С. 241-249.

[38] Accardi, A Lund model and an outside-inside aspect of the inside-outside cascade [Текст] / A. Bialas, M. Gyulassy // Nucl. Phys. — 1987. — Vol. B291.

— P. 793-819.

[39] Johnson, M.B. Energy loss versus shadowing in the Drell-Yan reaction on nuclei [Текст] / M.B. Johnson, B.Z. Kopeliovich, I.K. Potashnikova [et al.] // Phys. Rev. — 2002. — Vol. C65. — P. 025203-025212.