Рождение φ-мезонов в p+p, d+Au, Cu+Cu и Au+Au взаимодействиях при энергиях s NN = 62.4 и 200 ГэВ в эксперименте ФЕНИКС Д.О. Котов (ПИЯФ, СПбГПУ)

Коллайдер RHIC Коллайдер RHIC (Брукхейвенская национальная лаборатория, США) является одним из крупнейших действующих ускорителей по изучению взаимодействий пучков релятивистских ионов при высоких энергиях. КХД на решётке предсказывает адрон-кварковый фазовый переход ядерной материи в условиях экстремально больших плотностей энергии (ε > 1 ГэВ/фм 3 ) и температур (T ~ 170 МэВ); Подобные условия могут реализовываться в столкновениях тяжёлых релятивистских ядер Система ядер s NN, ГэВ Au+Au7, 9, 39, 62, 130, 200 d+Au200 Cu+Cu22, 62, 200 p +p 22, 62, 200, 500

Актуальность (I) В 2005 году ряд открытий позволил всем коллаборациям на RHIC сделать заявление об обнаружении сильновзаимодействующей кварк-глюонной плазмы – «идеальной жидкости» с партонными степенями свободы. Эффект гашения струй Эллиптические потоки Выход π 0 -мезонов подавлен пятикратно; Выход прямых γ не подавлен до p T ~ 14 ГэВ/c: энергетические потери жёстких партонов в плотной ядерной среде в конечном состоянии. Универсальное скалирование v 2 на число кварков n q при KE T /n q < 1.0 ГэВ: идеальная жидкость с партонными степенями свободы; Нарушение скейлинга при KE T /n q > 1.0 ГэВ, говорит о включении иных механизмов рождения частиц.

Актуальность (II) Температура среды, спектры рождения прямых фотонов T C from Lattice QCD ~ 170 MeV T AuAu (fit) ~ 220 MeV В случае аппроксимации Au+Au данных экспоненциальной функцией: T ~ 220 МэВ; Модельные оценки дают значения T в пределах МэВ. Расчёты пКХД находятся в соответствии с результатами p+p до p T ~ 1 ГэВ/c; Au+Au результаты превышают (p+p)* при p T < 2.5 ГэВ/с; T C from Lattice QCD ~ 170 MeV T AuAu (fit) ~ 220 MeV T C from Lattice QCD ~ 170 MeV T AuAu (fit) ~ 220 MeV T C from Lattice QCD ~ 170 MeV T AuAu (fit) ~ 220 MeV

Актуальность (III) Эффект гашения струй – подавление выходов адронов в области больших p T > 5.0 ГэВ/c: π 0, ω, η - энергетические потери жестко рассеянных партонов (u, d, s кварки); Выход e HF обнаружил аналогичную для лёгких кварков степень подавления; Выход прямых γ не подавлен вплоть до p T ~ 14 ГэВ/c, при p T > 14 ГэВ/c – изоспиновые эффекты. Актуальной задачей является измерение выходов как можно большего количества различных типов частиц различной массы, в частности φ-мезонов (изучение энергетических потерь s-кварков в области больших поперечных импульсов).

Актуальность (IV) 19% norm uncertainty Phys. Rev. D 79, (2009)Phys. Rev. D 76, (2007) Расчёты пКХД позволяют описать спектры рождения частиц в p+p взаимодействиях; Неожиданный рост величин p/π от периферийных к центральным взаимодействиям ядер (т.н. барионная загадка) традиционно описывается рекомбинацией и наличием радиального потока (зависимость выхода от массы частицы). m(φ) m(p), при этом состоит из 2 кварков: тест для RECO и радиального потока.

Актуальность (V) При s NN < 30 ГэВ подавления выходов частиц не наблюдалось: 30 < s NN (ГэВ) < 130 ГэВ; Необходимо отметить, что чаще всего физические циклы работ при низкой энергии сталкивающихся ядер обладают малым объёмом набранных для обработки данных: стоит ожидать существенных неопределенностей результатов измерений.

Эксперимент ФЕНИКС Аксептанс: < η < 0.35, φ – 2 x 90 o Регистрация заряженных частиц: 1. Дрейфовые камеры (DC) δp/p = 0.7% +1.1%·p/p 0, (p 0 = 1 ГэВ/c) 2. Падовые камеры (PC1) σ Ф =2.4 мм, σ z =1.7 мм Идентификация заряженных частиц времяпролётной системой (TOF): 1/3 аксептанса одного плеча σ τ ~ 115 псек диапазон разделения π/K 0.3 < p T (ГэВ/с) < 2.2 Треки заряженных частиц: восстанавливаются в ДК западного и восточного плеч: и идентифицируются времяпролётной системой: Все измерения, вошедшие в работу, выполнены в эксперименте ФЕНИКС

Методики измерения инвариантных спектров по p T (I) Для измерений в области промежуточных ( ГэВ/с) использование времяпролётной системы не представляется возможным; Существует возможность работать без идентификации частиц, основываясь на статистическом базисе: необходимо провести оценку эффективности регистрации и аксептанса установки методом Монте-Карло в данном случае. p T < 2.0 ГэВ/с – идентификация 2 каонов; 2.0 < p T (ГэВ/с) < 5.0 – идентификация 1 каона / без идентификации; p T > 5.0 ГэВ/с – без идентификации. Возможно ли выделить сигнал, не идентифицируя каоны?

Для формирования распределений по инвариантной массе, производился перебор всех заряженных треков: В столкновениях тяжелых ядер перед процедурой аппроксимации из спектра инвариантной массы вычитается некоррелированный комбинаторный фон, оцененный методом смешивания событий; Коррелированная часть комбинаторного фона (от распадов других частиц: K s, ρ, ω, η и др.) оценивается путём аппроксимации полиномом. Методики измерения инвариантных спектров по p T (II) s NN = 62.4 GeV

Методики измерения инвариантных спектров по p T (III) Выход φ-мезонов определяется путем аппроксимации измеренного спектра инвариантной массы функцией, состоящей из полинома второй степени и функции Брейта-Вигнера, свернутой с распределением Гаусса: Выход принимается равным числу пар разнозаряженных частиц в спектре инвариантной массы после вычитания полинома вблизи массы φ-мезона в диапазоне по инвариантной массе 1,01 ГэВ/с 2 < М инв < 1,028 ГэВ/с 2.

Методики измерения инвариантных спектров по p T (IV) Одной из целей анализа данных является измерение инвариантных выходов φ-мезонов: ε множ – поправка на «потерю» треков в условиях большой множественности рождающихся частиц в ядро-ядерных взаимодействиях: оценивается путем введения в реальные данные смоделированных хитов каонов и сравнения числа восстановленных каонов с и без внедрения. s NN = 200 GeV

Систематические ошибки измерений Cu+Cu взаимодействия при энергии s NN = 200 GeV

Инвариантные спектры рождения Диапазон измерений при s NN = 200 ГэВ: 1.0 < p T < 7.0; Диапазон измерений при s NN = 62.4 ГэВ: 1.1 < p T < 3.9 (3.1) Cu+Cu (Au+Au); Спектры рождения φ-мезонов в p+p и A+A взаимодействиях измерены в одинаковых «бинах» по поперечному импульсу p T : R AA вычисляется отношением точка к точке, а не к значениям аппроксимации p+p спектра.

Достоверность измерений (I) * T.Akesson et al., Nuclear Physics B203 (1982) Согласие отношений измеренных инвариантных выходов φ-мезонов к значениям аппроксимации инвариантного спектра рождения φ-мезонов (в области перекрытия двух методик по поперечному импульсу). свободные параметры (Levi : nucl-th/ ) Не наблюдается расхождений с результатами эксперимента ISR в области перекрытия измерений.

В области p T > 2 ГэВ/с, где рождение адронов обусловлено фрагментацией партонов, отношение φ/π 0 определяется функциями фрагментации для φ и π 0 -мезонов и не зависит от энергии взаимодействия протонов: генератор PYTHIA не позволяет адекватно описать наблюдаемую зависимость – предмет для теоретического исследования. Достоверность измерений (II)

Факторы ядерной модификации p+p взаимодействия: точечные при p T > 2 ГэВ/с процессы рождения частиц описываются фрагментацией жёстко рассеянных партонов; Изучение коллективных эффектов в A+A взаимодействиях: изучение модификаций в выходах частиц во взаимодействиях ядер в области p T > 2 ГэВ/с; R AA 1 в условиях отсутствия коллективных эффектов; R AA 1 подавление/избыток выхода частиц; d+Au взаимодействия Au+Au взаимодействия

d+Au взаимодействия: R dA В центральных взаимодействиях: R dA (φ) < R dA (p); R dA (φ) R dA (π 0 ); В периферийных взаимодействиях: одинаковое поведение факторов ядерной модификации для мезонов и незначительный избыток протонов. Подобный избыток наблюдался на SPS, AGS эффект Кронина: объяснялся через многократное мягкое перерассеяние партонов в начальном состоянии трудности с описанием зависимости величины избытка от типа рождающейся частицы. Не образуется плотной ядерной среды изучение эффектов холодной ядерной материи в чистом виде.

A+A взаимодействия при s NN = 200 ГэВ: R AA Различие отношений R AA в области промежуточных p T (>50%): невозможно полностью объяснить различием в величинах избытка частиц (эффектом Кронина) в d+Au взаимодействиях (~25%); преимущественно определяется не массой адрона, а числом (p и φ) и ароматом (φ и π 0 ) кварков, из которых он состоит. В центральных A+A взаимодействиях выход φ-мезонов подавлен: В области больших p T : R AA (φ) R AA (π 0 ); В области промежуточных p T : R AA (π 0 ) < R AA (φ) < R AA (p); В доступной области по p T : поведение R AA (φ) ~ R AA (K); Au+Au Cu+Cu

A+A взаимодействия при s NN = 62.4 ГэВ: R AA В центральных Cu+Cu и Au+Au взаимодействиях в области промежуточных p T : R AA (π 0 ) < R AA (φ) < R AA (p) аналогично ядро-ядерным взаимодействиям при s NN =200 ГэВ; Неопределенности измерений >> s NN =200 ГэВ. Au+Au Cu+Cu

Cu+Cu и Au+Au взаимодействия В случае одинакового числа значения факторов ядерной модификации R AA, измеренных для φ-мезонов в Cu+Cu и Au+Au столкновениях при энергиях s NN = 62.4 и 200 ГэВ совпадают: в доступном диапазоне поперечных импульсов p T, степень подавления выхода φ-мезонов не зависит от особенностей геометрии перекрытия ядер.

Рекомбинационные процессы Hwa, Yang arXiv:nuclth/ v3 Во взаимодействиях тяжёлых ионов в области промежуточных поперечных импульсов наблюдается различие в степенях подавления лёгких π 0 -мезонов, массивных φ-мезонов и протонов: не объясняется эффектом Кронина и зависит от числа и аромата кварков, входящих в состав родившейся частицы. Различие в степени подавления барионов и мезонов в области промежуточных p T объясняется большей прибавкой к поперечному импульсу для барионов, которую они получают в результате рекомбинации 3 кварков. Различие в степени подавления π 0 и φ мезонов объясняется тем, что рекомбинация тепловых партонов преобладает для φ-мезонов в большей области поперечных импульсов, чем для π 0 - мезонов; Источником тепловых партонов является кварк-глюонная плазма.

Заключение В работе были измерены инвариантные спектры рождения по поперечному импульсу и факторы ядерной модификации φ-мезонов в p+p, d+Au, Cu+Cu и Au+Au взаимодействиях при энергиях s NN = 62.4 и 200 ГэВ; В Au+Au (Cu+Cu) взаимодействиях при энергии s NN = 200 ГэВ: p T > 5.0 ГэВ/c: R AA (φ) R AA (π 0 ); 2.0 < p T (ГэВ/c) < 5.0: R AA (π 0 )

Публикации Публикации: 1.Котов, Д.О. Рождение φ-мезонов в столкновениях ядер меди при энергии 200 ГэВ [Текст] / Д.О. Котов, Я.А. Бердников, В.Г. Рябов [и др.] // Научно-технические ведомости СПБГПУ. – 2009 – 4(88). – С. 57–62. 2.Котов, Д.О. Рождение φ-мезонов в столкновениях релятивистских протонов, ядер меди и ядер золота при энергии 62,4 ГэВ [Текст] / Д.О. Котов, Я.А. Бердников, В.Г. Рябов [и др.] // Научно-технические ведомости СПБГПУ. – – 1(94). – С. 103– Котов, Д.О. Рождение φ-мезонов в столкновениях ядер дейтерия и ядер золота при энергии 200 ГэВ [Текст] / Д.О. Котов, Я.А. Бердников, В.Г. Рябов [и др.] // Научно- технические ведомости СПБГПУ. – – 2(98). – С. 135– К публикации в Phys. Rev. C принята коллаборационная работа: "Nuclear modification factors of φ-mesons in d+Au, Cu+Cu and Au+Au collisions at s NN =200 GeV", Конференции: 1.Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» (Москва, Россия, 2009 г.); 2.VII конференция по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям (Харьков, Украина, 2010 г.); 3.LX Международная конференция «Ядро 2010» (С.-Петербург, 2010 г.). 4.XIV Всероссийская конференция «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (С.-Петербург, 2010 г.) 5.RHIC & AGS Users meeting, Brookhaven National Laboratory, (Upton, NY, 2010 г.)

Backups

Информация о Монте-Карло задачах Основным инструментом для проведения моделирований работы экспериментальной установки методом Монте-Карло является программа PISA: в точности повторяет экспериментальный комплекс; моделирования прохождения частиц и продуктов их распада через установку; моделирование откликов детекторов.

Промежуточные p T Жёсткие процессы: Радиальный поток: Рекомбинация: 1.Сопоставимый вклад в рождение барионов и мезонов в пике прямой и обратной струи. 1.Система расширяется в вакууме радиальный коллективный поток; 2.Попытка объяснить зависимость выхода частиц от их массы. 1.Справляется с описанием p/π и разницы между лёгкими и тяжёлыми мезонами; 2.Не описывает струеподобные корреляции и одинаковый выход в пиках прямой и обратной струи.

Инвариантные спектры рождения по поперечному импульсу φ-мезонов Функция Леви позволяет описать спектры рождения φ- мезонов во всем диапазоне измерений по p T во всех представленных системах при различной центральности столкновений (синие линии); В области p T > 5 ГэВ/c, где превалируют жёсткие процессы, поведение инвариантных спектров рождения не описывается экспоненциальной функцией (красный пунктир). свободные параметры Функция Леви (Wilk, Wlodarczyk arXiv:nucl-th/ )

Анализ качества данных, сравнение аксептансов Удаление неактивных областей Сравнение аксептансов

S.Turbide et al PRC

Fragmentation Function The fragmentation function, D(z) describes the process of by which a scattered parton materializes as a jet of particles. A medium might be expected to modify D(z). When the full jet is difficult to identify, z is replaced by z T referencing the leading or trigger particle of the jet.

Parton Distribution Functions Parton Distribution Functions are well measured and universal (at least under the factorization theorem). Calculations (PYTHIA) use theoretical form guided by the data: –CTEQ 5M –others… Parton distributions in nuclei are modified as compared to nucleons. F2F2

Factorization Theorem: Nucleon is a collection of partons described by PDF. Pair-wise interactions of partons at high Q 2 can described by pQCD. Scattered partons materialize as jets via the fragmentation function. NOTE: Only the pQCD cross sections are fundamental. PDF and Fragmentation are based upon measurement Collins, Soper, Sterman, Nucl. Phys. B263 (1986) 37

Классы центральности Centrality selection : Sum of Beam-Beam Counter (BBC, | |=3~4) and energy of Zero-degree calorimeter (ZDC) Extracted N coll and N part based on Glauber model. Spectators Participants 0-5% 5-10% 10-15% Peripheral Central