Диссертация (Исследование флуктуаций числа нуклонов-участников и отбор событий по центральности в экспериментах по столкновениям ультрарелятивистских ядер)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиДрожжова Татьяна АлександровнаИсследование флуктуаций числануклонов-участников и отбор событийпо центральности в экспериментах постолкновениям ультрарелятивистских ядерСпециальность 01.04.16 ҫфизика атомного ядра и элементарных частицДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент ФЕОФИЛОВ Г. А.Санкт-Петербург ҫ 20182ОглавлениеВведение41 Центральность и модель Глаубера211.1 Центральность .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211.2 Флуктуации физических наблюдаемых . . . . . . . . . . . . . . .231.3 Геометрическое представление столкновений . . . . . . . . . . . .241.3.1Нуклонҫнуклонные столкновения. . . . . . . . . . . . . .241.3.2Зависимость числа рожденных частиц от энергии . . . . .251.3.3Профильная функция . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .251.3.4Нуклон-ядерные столкновения . . . . . . . . . . . . . . . .261.3.5Ядро-ядерные столкновения. . . . . . . . . . . . . . . . .291.3.6Раненые нуклоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .301.3.7Мягкие и жесткие процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . .321.3.8Модель раненых нуклонов . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .331.3.9Применимость модели Глаубера . . . . . . . . . . . . . . .361.4 Другие модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .361.4.1Модифицированная модель Глаубера . . . . . . . . . . . .371.4.2Генератор HIJING . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .371.4.3Неглауберовская модель столкновений . . . . . . . . . . . .371.5 Заключение к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382 Эксперимент ALICE392.1 Возможности эксперимента ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . .392.2 Описание детекторных систем ALICE . . . . . . . . . .

. . . . . .403 Определение центральности на эксперименте ALICE3.1 Экспериментальная оценка центральности . . . . . . . . . . . . .3.1.1Оценка центральности детекторными системами ALICE . .49494933.1.2Метод определения центральности . . . . . . . . . . . . . .523.1.3Сравнение центральности в различных детекторах ALICE553.1.4Калибровка центральности . . .

. . . . . . . . . . . . . . .554 Измерение множественности заряженных частиц624.1 Экспериментальные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .624.1.1Условия эксперимента и набора данных . . . . . . . . . . .624.1.2Измерения множественности . . . . . . . . . . . .

. . . . .624.1.3Определение центральности . . . . . . . . . . . . . . . . . .634.2 Результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .654.2.1Множественность в зависимости от энергии . . . . . . . . .654.2.2Множественность в зависимости от центральности . . .

. .664.2.3Сравнение результатов с моделями . . . . . . . . . . . . . .685 Метод оптимальной классификации по центральности столкновений725.1 Связь эксперимента и модели Глаубера . . . . . . . . . . . . . . .735.1.1Процедура Монте-Карло моделирования .

. . . . . . . . .735.1.2Множественность в Монте-Карло симуляциях . . . . . . .755.2 Параметры генераторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .765.2.1Параметры Модели Глаубера для анализа . . . . . . . . . .765.3 Конфигурация генератора HIJING . . . . . . . . . . . . . . . . . .775.4 Описание метода . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .795.5 Применение метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .815.5.1Столкновения Pb-Pb при 2.76 ТэВ . . . . . . . . . . . . . .815.5.2Столкновения Pb-Pb при 17.3 ГэВ . . . . . . . . . . . . . .865.5.3Столкновения 7 Be - 9 Be при 16.8 ГэВ . . . . . . . . . . . .905.5.4Столкновения p-Pb при 5.02 ТэВ . . . . .

. . . . . . . . . .905.5.5Столкновения Pb-Pb при 2.76 ТэВ, HIJING . . . . . . . . .955.6 Результаты анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98Заключение99Литература1024ВведениеАктуальность темы.Современная теория сильных взаимодействий ҫ квантовая хромодинамика,предсказывает существование особого состояния материи, в состоянии асимптотической свободы (деконфайнмента), так называемой кварк-глюонной плазмы (КГП). Оно должно было возникнуть в первые мгновения после БольшогоВзрыва (за время порядка 10−11 c) и предшествовать образованию обычногобарионного вещества. Изучение свойств кварк-глюонной плазмы чрезвычайноважно, поскольку оно тесно связано с решением ряда фундаментальных проблем, например таких, как барионная асимметрия Вселенной.В настоящее время, проводится и планируется к проведению целый ряд экспериментов по ультрарелятивистским ядро-ядерным столкновениям на коллайдерах, в которых должны воспроизводится условия возникновения КГП.

Прежде всего, это эксперимент ALICE на Большом адронном коллайдере (LHC) вЕвропейском центре ядерных исследований (CERN). Его основная цель состоит в создании целой серии миниатюрных Больших Взрывов [1ҫ3] в лобовыхядро-ядерных столкновениях, при которых протоны и нейтроны, составляющие ядра, разогрелись бы до температуры порядка 1012 К (что в 105 раз большетемпературы в центре Солнца) и ҡрасплавилисьә бы на асимптотически свободные кварки и глюоны, из которых в последствии сформировались бы каплиКГП.

Когда капли КГП остывают, кварки и глюоны рекомбинируют в обычную барионную материю, которая разлетается во всех направлениях. Анализхарактеристик продуктов распада позволит исследовать условия образованияКГП. К ноябрю 2015 года на LHC были достигнуты следующие энергии в систе√ме центра масс сталкивающихся частиц: = 13 ТэВ для протон-протонных√столкновений и = 5.02 ТэВ на нуклон-нуклонную пару для тяжело-ионных5столкновений. Этих энергий достаточно для перехода барионной материи в состоянии КГП.Другим важным экспериментом, в котором изучаются свойства КГП является NA61/SHINE на ускорителе SPS в ЦЕРН. Основными задачами этогоэксперимента являются - поиск критической точки сильновзаимодействующейядерной материи и детальное исследование начала деконфайнмента [4].

Крометого, необходимо упомянуть эксперименты на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC [5] в Брукхейвенской национальной лаборатории и запланированные эксперименты на строящемся в ОИЯИ (Дубна) коллайдере протонови тяжёлых ионов - NICA [6, 7]. Одной из основных научных задач мегапроектаNICA, который будет реализован на территории России, является исследованиефазовой диаграммы сильно сжатой барионной материи.Ключевую роль при изучении свойств КГП играет анализ экспериментальных данных. Результаты анализа зависят не только от параметров, контролируемых на этапе подготовки эксперимента, таких как энергия, тип и размерсталкивающихся участников (ядер или протонов), но и от параметров, случайно меняющихся от события к событию и связанных с геометрией самогостолкновения.Один из таких параметров ҫ это центральность столкновения.

Он определяетразмер области перекрытия сталкивающихся ядер, что несомненно влияет насвойства образованной материи.Столкновение считается тем более центральным, чем меньшее значение имеет прицельный параметр. Измерение прицельного параметра на эксперименте невозможно, поэтому центральность столкновений на эксперименте определяется косвенно. Чем центральнее столкновение, тем больше число нуклоновучастников. В большинстве экспериментальных исследований для отбора событий в качестве наблюдаемой величины, косвенно связанной с центральностьюстолкновения, используется множественность рождающихся частиц.

Однако,сильные флуктуации данной величины, возникающие от события к событиюв силу определенных физических причин, препятствуют достаточно точномуопределению числа нуклонов-участников столкновения в каждом событии.Точность измерения числа нуклонов-участников в событии критична в экспериментах, направленных на поиск эффектов, связанных с флуктуациями на-6блюдаемых величин, которые несут физическую информацию, и, в том числе,например, могут служить сигналом формирования кварк-глюонной плазмы.Измерение флуктуаций и корреляций таких величин, как множественностьрождающихся частиц, средний поперечный импульс, остаточный электрический и барионный заряд и др.[8ҫ10], позволяет изучать область фазовой диаграммы КХД вблизи фазового перехода от адронного газа к состоянию деконфайнмента [11ҫ13], а также кирального фазового перехода.

Для корректнойинтерпретации данных по флуктуациям и корреляциям наблюдаемых величинпри изучении эффектов, которые могут нести важную информацию о формировании и свойствах кварк-глюонной плазмы, необходимо минимизироватьтак называемые ҡтривиальныә или ҡобъемныеә флуктуации, связанные с пособытийным отбором класса столкновений, где присутсвует разброс событий поприцельному параметру и/или числу нуклонов-участников, что будет являтьсянежелательным фоном для исследуемых флуктуаций.Предпосылки к данной работе:В первой части данной работы описывается метод измерения множественности заряженных частиц как функции центральности, и представляются новые√результаты, полученные на эксперименте ALICE при новой энергии = 5.02ТэВ, достигнутой на коллайдере в ноябре 2015 года (см.

раздел 4.2).Одним из первых результатов 2010 года на БАК с энергией на нуклон√нуклонную пару в системе центра масс ( NN = 2.76 ТэВ для столкновенийядер свинца, стало измерение множественности заряженных частиц в среднеминтервале по псевдобыстроте (|| < 0.5 ) [14]. Напомним, что псевдобыстротойназывается величина(︂ )︂]︂)︂(︂|⃗| + z1 = − ln tan,= ln22|⃗| − z[︂где ҫ это угол между направлением импульса частицы ⃗ и осью пучка , а zҫ это продольная компонента импульса.Эти результаты (см.