Отчет о ходе выполнения научно-исследовательской работы «Исследования по релятивистской ядерной физике»

Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН
УДК 539. 1. 07, 539. 172
УТВЕРЖДАЮ

Директор ИЯИ РАН
В.А.Матвеев
« » 2012г.

ОТЧЕТ

о ходе выполнения научно-исследовательской работы
«Исследования по релятивистской ядерной физике»

Научный руководитель

А. Б. Курепин

Москва 2012

Список основных исполнителей

Научный руководитель,

И.О. Зав. Отдела Экспериментальной Физики, профессор

Курепин А. Б.

Научный сотрудник		Голубева М.Б.
Стажер исследователь		Бусыгина О. В
Старший научный сотрудник, к.ф-м.н.		Топильская Н.С.
Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н., координатор детекторов HADES, NA61		Губер Ф. Ф.
Младший научный сотрудник		Дерменев А. В
Старший научный сотрудник, к.ф-м.н.		Ивашкин А.П.
Главный инженер Института		Каравичев О. В
Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н., координатор детектора Т0		Каравичева Т. Л.
Научный сотрудник		Карпечев Е. В
Стажер исследователь		Коневских А. С.
Младший научный сотрудник		Курепин А. Н
Старший научный сотрудник, к.ф-м.н.		Разин В.И.
Научный сотрудник		Маевская А. И
Научный сотрудник		Марин В. Н
Стажер исследователь		Петухов О. А
Старший научный сотрудник, д.ф.-м.н.		Пшеничнов.И.А.
Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н.		Решетин А. И
Научный сотрудник, к.ф-м.н.		Садовский А.С.
Главный инженер установки		Тифлов В.В.
Научный сотрудник		Тихонов А.А.
Научный сотрудник		Усенко Е.А.
Стажер исследователь		Финогеев Д. А

Реферат

Поиск кварк-глюонной материи при столкновении ультрарелятивистских ядер является одной из основных задач современной релятивистской ядерной физики. Экспериментальная установка ALICE представляет собой сложный многоцелевой комплекс детекторных систем, обеспечивающий возможность всестороннего исследования процесса столкновений ядер сверхвысоких энергий. В этом комплексе детекторов важную роль играет стартовый время-пролетный и триггерный детектор Т0, созданный при определяющем вкладе Лаборатории релятивистской ядерной физики ИЯИ РАН. Детектор располагается вблизи номинальной точки столкновения релятивистских ионов и обеспечивает проведение измерений множественности рожденных частиц, мониторирование и определение светимости, измерение времени-пролета рожденных частиц, диагностику пучка.

В результате выполненных в ИЯИ РАН работ решена основная задача – создание работающего детектора Т0 с заданными характеристиками. В период протон-протонных столкновений (январь-август 2011) детектор обеспечивал временное разрешение около 40 пикосекyнд, что соответствует техническому заданию на создание стартового детектора для идентификации заряженных частиц по время-пролетному методу. В ноябре–декабре 2011 года в течении ион-ионных столкновений было получено рекордное разрешение около 30 пикосекунд. Детектор T0 принимал участие во всех измерительных сеансах проводимых экспериментом ALICE. Модернизация, устранение неполадок, поддержание работоспособности, обеспечение безаварийного процесса измерений и получение экспериментальных данных с детектора Т0 были выполнены практически полностью сотрудниками ИЯИ. В 2011 году проводились работы по обслуживанию и модернизации узлов управления. Были обнаружены и устранены неисправности в подсистемах. Особое внимание уделялось контролю качества записываемых данных. Пакет программ AMORE для «online» (режим реального времени) контроля данных в процессе записи является стандартной оболочкой для всего эксперимента ALICE. Благодаря высокому временному разрешению детектора Т0 удается различать временную структуру пучка и определять произошло ли событие от основного сгустка пучка или от «сателлита» при характерных временных сдвигах 1,25 нс.

Возможность идентификации частиц в эксперименте ALICE осуществляется комбинированным способом с помощью группы детекторов, которая включает в себя: систему внутреннего трекинга ITS, время-проекционную камеру TPC, детектор переходного излучения TRD, времяпролетный детектор TOF. Т0 детектор является частью время-пролетной системы.

Точное определение светимости и его мониторинг необходим, поскольку значение светимости входит в расчеты сечений всех физических процессов. Светимость на ALICE измеряется передними детекторами: V0, Т0 , и ZDC. Относительные значения светимости записываются в поток данных для дальнейшего анализа . Во время p-p столкновений в течении 2011 года для этих целей использовался детектор Т0.

Изучались также электромагнитные взаимодействия ядер высоких энергий в ультрапериферических столкновениях, которые происходят без перекрытия ядерных плотностей. Теорией такие столкновения интерпретируются как облучение ядер интенсивными потоками гамма-квантов с широким энергетическим спектром. Несмотря на то, что в спектре таких эквивалентных фотонов доминируют мягкие фотоны, приводящие, в частности, к возбуждению гигантских резонансов в сталкивающихся ядрах, на LHC верхняя граница спектра фотонов составляет 200 ГэВ, что выше энергии всех существующих электронных и фотонных пучков.

Показано, что Большой Адронный Коллайдер дает уникальные возможности для изучения электромагнитных взаимодействий ультрарелятивистских ядер.

Кроме того, для модернизации установки ALICE с целью расширения импульсного диапазона пион-каонного и каон-протонного разделения до 10 и 15 ГэВ/c, соответственно, в Институте ядерных исследований РАН, г. Москва, разработан и находится в стадии испытаний прототип FARICH-детектора.

Объектом эксперимента HADES (GSI, Германия) является исследование рождения электрон-позитронных пар в квазисвободных нейтрон-протонных столкновениях; разработка и моделирование электромагнитного калориметра. В 2011 г. завершен анализ данных по образованию электрон-позитронных пар в нейтрон-протонных взаимодействиях по данным эксперимента ХАДЕС, полученным в 2007 году на пучке дейтронов с энергией 1,25 ГэВ/нуклон, налетающем на протонную мишень. Обнаружена значительная изоспиновая зависимость выхода электрон-позитронных пар для нейтрон-протонных и протон-протонных столкновений. Полученные данные являются реперными для анализа спектров электрон-позитронных пар в ядро-ядерных столкновениях.

Проведена модернизация переднего 300-канального сцинтилляционного годоскопа, который будет использован в ядро-ядерных экспериментах для измерения плоскости реакции. Подготовлен технический проект по созданию 1000-канального электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла для экспериментов HADES на ускорителе SIS100 нового создаваемого комплекса FAIR в Дармштадте, Германия.

Одной из основных задач эксперимента NA61(SHINE) в ЦЕРН является поиск критической точки сильновзаимодействующей ядерной материи и детальное исследование начала деконфаймента. Для поиска критической точки необходимы измерения наблюдаемых, чувствительных к исследуемым эффектам. Такими наблюдаемыми являются множественность рождения и спектральные характеристики вторичных адронов, включая странные барионы/антибарионы, и пособытийные флуктуации некоторых физических величин, таких, как множественность, заряды, поперечные импульсы, отношения выхода странных и нестранных мезонов. Резкое увеличение величины флуктуаций является отличительной чертой физических явлений вблизи критических областей. Программа исследований NA61 включает проведение измерений выходов заряженных частиц в центральных столкновениях ядер ⁷Ве+⁹Ве, Ar+Ca и Xe + La при энергиях 13, 20, 30, 40, 80, 158 ГэВ на нуклон и рассчитана до 2016г.

Первые измерения проведены в 2011г. для реакции ⁷Ве+⁹Ве при энергиях 40, 80, 158 ГэВ на нуклон с использованием фрагментированого пучка ядер ⁷Ве. В этом же году были продолжены измерения распределения частиц по поперечному импульсу в протон-протонных столкновениях при энергии 158 ГэВ, которые необходимы для сравнения с распределениями частиц по поперечным импульсам в ядро-ядерных столкновениях.

Основные результаты работы ИЯИ РАН в 2011 году в эксперименте NA61 в ЦЕРНе заключались в завершении разработки и изготовлении всех 44 модулей переднего адронного калориметра фрагментов. Кроме того была завершена разработка и изготовление аналоговой и цифровой электроники съема сигналов с переднего адронного калориметра фрагментов. Проведена калибровка адронного калориметра на протонном пучке NA61. Разработано программное обеспечение для отображения качества набранных экспериментальных данных. Изготовлен и протестирован новый А-детектор для идентификации фрагментов ядер по времени пролета. Сотрудники ИЯИ РАН участвовали в сеансах по набору экспериментальных данных в реакции 7Ве +9Ве при энергиях налетающих ядер бериллия-7 158. 80 и 40 ГэВ на нуклон, а также в рабочих совещаниях NA61(SHINE) и в представлении результатов на международных совещаниях и конференциях.

Сотрудники ИЯИ РАН приняли участие в создании и калибровке установки CASTOR в рамках эксперимента CMS на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе. Измерения проводятся при энергиях, соответствующих энергиям космических лучей, но при несравненно больших интенсивностях, что важно для изучения редких и необычных явлений. Институт ядерных исследований РАН участвовал в разработке и изготовлении части воздушных световодов, в изготовлении части кварцевых пластин, в калибровке калориметра и в анализе данных измерений.

ИЯИ РАН отвечает в коллаборации СВМ на ускорительном комплексе FAIR за разработку и изготовление переднего адронного калориметра для определения центральности взаимодействия и угла плоскости реакции в ядро-ядерных взаимодействиях. В 2011г. завершена разработка концепции модульного калориметра компенсационного типа. Каждый модуль калориметра состоит из 60 слоев свинцовых и сцинтилляционных пластин. Для детектирования света в калориметре используются микропиксельные лавинные фотодиоды с плотностью пикселей 15000 на квадратный миллиметр, что необходимо для обеспечения линейности отклика калориметра в широком динамическом диапазоне. Разработка данного детектора является пионерской в применении современных технологий в калориметрии.

Для определения центральности события при столкновении тяжелых ионов на коллайдере NICA, г. Дубна, и для прецизионного отбора событий при поиске флюктуаций в области критической опалесценции с помощью детектора MPD в ИЯИ РАН разработан адронный калориметр ZDC для регистрации фрагментов пучка. Калориметр ZDC будет расположен в области малых углов на расстоянии около 3 м вблизи пучка с обеих сторон от точки взаимодействия пучков коллайдера. Главным отличием в использовании калориметра в проекте MPD/NICA, является его работа при существенно более низких энергиях около 1-6 ГэВ. В 2011 г. был изготовлен прототип калориметра. На пионном и мюонном пучке проведено исследование параметров прототипа калориметра в интервале энергий коллайдера NICА

Введение

Эксперимент ALICE (LHC, CERN)

Поиск кварк-глюонной материи при столкновении ультрарелятивистских ядер

1. Экспериментальная установка ALICE представляет собой сложный многоцелевой комплекс детекторных систем, обеспечивающий возможность всестороннего исследования процесса столкновения ядер сверхвысоких энергий. В качестве возможных сигналов проявления кварк-глюонной плазмы будут исследованы процессы рождения странных, очарованных и прелестных частиц, рождения состояний чармония и ботомония, коллективные потоки, подавление рождения струй, прямые фотоны и т.д. В этом комплексе детекторов важную роль играет стартовый время-пролетный и триггерный детектор Т0, созданный при определяющем вкладе ИЯИ РАН. Детектор располагается вблизи номинальной точки столкновения релятивистских ионов с двух сторон от этой точки (Т0-А и Т0-С) и обеспечивает проведение измерений множественности рожденных частиц, мониторирование и определение светимости, измерение времени-пролета рожденных частиц, диагностику пучка и как триггерный детектор. В период протон-протонных столкновений (январь-август 2011) детектор обеспечивал временное разрешение около 40 пикосекyнд, что соответствует техническому заданию на создание стартового детектора для идентификации заряженных частиц по время-пролетному методу. В ноябре–декабре 2011 года в течении ион-ионных столкновений было получено рекордное разрешение около 30 пикосекунд. На рис.1 представлены первые результаты по измерению множественности заряженных первичных частиц детектором Т0 и сравнение полученных результатов с данными с других детекторов.

Использование время-пролетной системы позволяет идентифицировать пионы, каоны и протоны при значениях поперечного импульса от 0.5 до 2,5 GeV/c . Первоначально данные с Т0 детектора использовались для времяпролетной системы только для событий в которых одновременно срабатывали Т0-С и Т0-А. Разработка нового алгоритма позволит использовать для анализа все данные и повысить эффективность использования данных для идентификации частиц до ~92 % /~100 % в протон-протонных/ион-ионных столкновениях. Стабильность работы детектора позволяет в 2011-2015 гг. использовать его в качестве основного детектора для определения светимости и как триггерного детектора для формирования триггерных сигналов по множественности на установке ALICE и получения физических данных о множественности заряженных частиц при больших быстротах и о плоскости реакции. T0 детектор принимал участие во всех измерительных сеансах проводимых экспериментом ALICE. Модернизация, устранение неполадок, поддержание работоспособности, обеспечение безаварийного процесса измерений и получения экспериментальных данных с детектора Т0 были выполнены при определяющем вкладе сотрудников ИЯИ РАН.
2. На основе разработанной в ИЯИ РАН в предыдушие годы модели RELDIS, описывающей фрагментацию ядер в ультрапериферических взаимодействиях, даны предсказания полных сечений одиночной и взаимной электромагнитной фрагментации ядер свинца на БАК. Для регистрации событий электромагнитной фрагментации ядер в ходе сеансов ядро-ядро на БАК в 2010 и 2011 в эксперименте ALICE использовались детекторы Zero Degree Calorimeters (ZDCs), настроенные на регистрацию нейтронов от адронной и электромагнитной фрагментации ядер. Теоретические результаты были сопоставлены с экспериментальными данными. Было отмечено хорошее согласие результатов модели и результатов измерений как для отклика ZDCs при попадании в них нейтронов от электромагнитной диссоциации, так и для абсолютных значений сечений одиночной и взаимной электромагнитной диссоциации ядер. Способ моделирования электромагнитной фрагментации ядер с использованием RELDIS нашел свое применение и в эксперименте ATLAS.
3. Для модернизации работающего детектора типа RICH ( HMPID ) на установке ALICE, который дает разрешение пионов и каонов только до импульсов около 3 ГэВ/с, группой ИЯИ РАН была разработана новая методика для идентификации заряженных частиц, основанная на использовании в черенковском детекторе типа RICH аэрогеля с низким показателем преломления около 1.05 в качестве радиатора и лавинных фотонных детекторов с MRS структурой. В двух тестовых сеансах измерений с прототипом детектора на пучке ускорителя PS в ЦЕРН было получено разделение пионов и каонов при импульсе 7 ГэВ/с около 5 сигма. Моделирование показывает, что высокое разрешение может быть получено для пионов и каонов до 10 ГэВ/с, а пионов и протонов до 14 ГэВ/с.
Эксперимент HADES (GSI, Германия).
Эксперимент ХАДЕС направлен на поиск сигналов восстановления киральной симметрии в столкновениях релятивистских тяжелых ионов. Для детального понимания механизмов образования диэлектронов, в 2006-2011 годах были проведены сеансы протон-протонных, дейтрон-протонных и протон-ядерных столкновений. Завершен анализ данных по образованию электрон-позитронных пар в нейтрон-протонных взаимодействиях по данным эксперимента ХАДЕС, полученным в 2007 году на пучке дейтронов с энергией 1,25 ГэВ/нуклон, налетающем на протонную мишень. Обнаружена значительная изоспиновая зависимость выхода электрон-позитронных пар для нейтрон-протонных и протон-протонных столкновений. По результатам анализа данных К.Лапидусом в 2011г. в ИЯИ РАН защищена кандидатская диссертация. Полученные данные являются основой для анализа спектров электрон-позитронных пар в ядро-ядерных столкновениях.

Группой ИЯИ РАН проведена модернизация переднего 300-канального сцинтилляционного годоскопа, который будет использован в ядро-ядерных экспериментах для измерения плоскости реакции. Получены и обрабатываются первые экспериментальные данные, полученные в тестовом сеансе в августе 2011г. по исследованию взаимодействия ядер золота при энергии налетающего пучка 1.25 АГэВ.

Подготовлен технический проект по созданию 1000-канального электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла для экспериментов HADES на ускорителе SIS100 нового создаваемого ускорительного комплекса FAIR в Дармштадте, Германия. Проведен ряд измерений модулей калориметра для определения энергетического разрешения и с различной считывающей электроникой.

Эксперимент NA61(SHINE) на ускорителе SPS в ЦЕРНе
Одной из основных задач эксперимента NA61(SHINE) в ЦЕРН является поиск критической точки сильновзаимодействующей ядерной материи и детальное исследование начала деконфаймента, т.е. поиск и исследование перехода между двумя фазами сильно взаимодействующей материи. Ряд моделей сильных взаимодействий предсказывают резкую фазовую границу (фазовый переход 1-го порядка) между адронным газом и кварк-глюонной плазмой, заканчивающуюся в критической точке (рис.4).

Рис.1. Переход между двумя фазами сильно взаимодействующей материи: адронный газ и кварк-глюонная плазма)

Положение критической точки на фазовой плоскости точно не известно и предсказывается разными моделями по разному. Поэтому, в эксперименте NA61(SHINE) положение критической точки на фазовой плоскости предлагается искать, сканируя эту плоскость посредством реакций с различными ядрами при энергиях налетающих ядер в диапазоне от 13 до 158 ГэВ на нуклон (Рис.5).

Рис. 2. Область сканирования на фазовой плоскости в программе исследований

эксперимента NA61(SHINE).
Главной экспериментальной задачей в изучении фазовых переходах и поиске критической точки является измерение наблюдаемых, чувствительных к исследуемым эффектам. Такими наблюдаемыми являются множественность рождения и спектральные характеристики вторичных адронов, включая странные барионы/антибарионы, и пособытийные флуктуации некоторых физических величин, таких, как множественность, заряды, поперечные импульсы, отношения выхода странных и нестранных мезонов. Отметим, что резкое увеличение величины флуктуаций является отличительной чертой физических явлений вблизи критических областей. Поэтому, основное внимание в физической программе исследований уделяется именно измерению величины флуктуации данной наблюдаемой от события к событию.

В связи с важностью этого подхода, необходимо более детально остановиться на источниках экспериментально наблюдаемых флуктуаций в столкновениях тяжелых ионов. В самом общем описании, существуют два источника флуктуаций. Первый, это интересующее нас физическое явление, а именно, критическая область фазовой диаграммы, вызывающая усиление флуктуаций. Второй источник – это варьируемая геометрия столкновения тяжелых ионов, иначе говоря, переменное количество взаимодействующих нуклонов. Понятно, что второй источник флуктуаций, определяющий геометрию столкновений, никак не связан с существованием критических флуктуаций. Поэтому, эти два источника флуктуаций должны быть учтены надлежащим образом. Как правило, в экспериментах с фиксированной мишенью геометрия столкновения тяжелых ионов измеряется передним адронным калориметром, детектирующим энергию невзаимодействующих нуклонов налетающего ядра, из которой определяется число невзаимодействующих нуклонов налетающего ядра. Разница между атомным число налетающего ядра и измеренным количеством непровзаимодействовавших нуклонов и дает искомое число взаимодействующих нуклонов. Таким образом, существование переднего адронного калориметра с энергетическим разрешением, необходимым для определения числа нуклонов с точностью до одного нуклона, является необходимым условием изучения критических флуктуаций. Для эксперимента NA61 такой калориметр разработан и изготовлен в Институте ядерных исследований РАН. Основная активность группы ИЯИ РАН в данном проекте связана с созданием адронного калориметра высокого разрешения и участием в анализе экспериментальных данных с получением конечных физических результатов.

Наблюдение подавления выхода адронов с большим поперечным импульсом в Au+Au столкновениях (гашение струй в ядерной материи с высокой плотностью), - одно из самых важных открытий на RHIC. Исследования энергетической зависимости этого эффекта при энергиях SPS необходимы для его окончательного толкования. ЦЕРН имеет уникальные возможности для внесения ключевого вклада с помощью измерений на SPS и LHC.

Для определения потоков нейтрино в эксперименте T2K и минимизации систематических ошибок в определение параметров смешивания в эксперименте NA61 измерены с высокой точностью выходы заряженных пионов и каонов в реакции рС при энергии налетающих протонов 31 ГэВ. Результаты, полученные для выходов пионов в пилотном эксперименте 2007 года, опубликованы в 2011г. В настоящее время подготовлена статья с результатами анализа по выходам заряженных каонов.

следующая страница >>