Введение к работе
В восьмидесятых годах, после того как появилась возможность ускорения ядер 2SSi до энергия 14.5 ГэВ/нуклон на ускорителе AGS в Брукхенвене. ядер 1бО до энергии 200 ГэВ/нуклон на ускорителе SPS в ЦЕРНе, а также ядер 12С до энергии 3,6 ГэВ/нуклон на Дубненском синхрофазотроне, родилась новая область экспериментальной физики, промежуточная между физикой элементарных частий и ядерной физикой. - релятивистская ядерная физика. Целью этой области физики является изучение свойств ядерной материи как целого и нахождение ее уравнения состояния. Терминология используемая в этой области сходна с терминологией термодинамики, в которой сложные многочнс-тпчные сотоянпя описываются через макроскопические переменные, такие как температура, плотность, энтропия, и т. д.
Для того, чтобы такое описание было возможно, необходимо чтобы возникающая в результате взаимодействия система была достал чно большой (3> характерной длинны ядерного взаимодействия 1-2 Ф.м) и содержала много частил (~> 1). Система также должна быть в термодинамическом равновесии, а ее время жизни должно быть много больше характерного времени релаксации (^> 1 Фм/с). Это означает что чпсло взаимодействии на одну частину в системе должно быть много больше 1. Выполнение этих условий еше нуждается в эксперп--ментальном подтверждении.
Особенно интересным эту область физики делает предсказание квантовой хромодннамикп (КХД) о том. что при большой плотности энергии вещество должно совершить фазовый переход из обычной, состоящей пз адронов материи в совершенно новое состояное -- кварк-глюонную плазму (КГП). При низкой плотности энергии кварки находятся в связанном состоянии в адронах (конфайнмент). При этом кварки приобретают большую эффективную массу (т„ ~ т^ ~ 300 МэВ) пз за взаимодействия их друг с другом и с окружающим их КХД вакуумом (спонтанное нарушение кпральноп симметрии). При разогреве и сжатии ядерного вешества может произойти фазовый переход в кварк-глюояную плазму при котором происходит деконфаинмент и каральная симметрия приближенно восстанавливается (m„ ~ т^ <-- j МэВ).
В качестве наиболее перспективных сигналов, которые могут свидетельствовать об образовании КГП рассматриваются странные ч.чс-
типы, J/v-частпцы, а также прямые (т.е. образующиеся не в результате распада нейтральных мезонов и других адронов) фотоны и леп-тонные пары (виртуальные фотоны).
Механизм рождения прямых фотонов может быть различен. Они могут испускаться как тормозное излучение при столкновениях отдельных адронов (пли кварков) в процессе взаимодействия. Более жесткие прямые фотоны могут испускаться в результате аннигиляции кварков и антикварков или в результате так называемого кварк-глюонного комптоновского рассеяния. В адронном газе основными процессами отвечающими за рождения прямых фотонов являются, по-видимому, реакции жр -* А\ —* ігу и ** —* fry.
Наибольший интерес представляют прямые тепловые фотоны, испускающиеся как тепловое излучение разогретой зоны взаимодействия (независимо от механизма их образования). Они несут информацию о состоянии системы в целом п могут быть использованы для поисков сигналов фазового перехода в КГП. Поскольку тепловые прямые фотоны должны испускаться как из КГП, так и из адронного газа, то их следует рассматривать как своего рода "термометр" для определения состояния сжатой и разогретой зоны взаимодействия. Измеряя зависимость выхода и спектров прямых фотонов от энергии и типа сталкивающихся ядер, можно, в принципе, делать выводы о существовании КГП.
Большинство теоретических работ предсказывает, что выход тепловых прямых фотонов должен быть максимален в диапазоне поперечных импульсов 1-4 ГэВ/с.
Цепь работы. Основной целью данной диссертации является изучение реакции 200 ГэВ/нуклон S + Аи, измерение спектров фотонов рождающихся в этой реакшш. измерение выхода прямых фотонов и сравнение экспериментальных результатов с существующими теоретическими моделями для выяснения возможности образования КГП. Эксперимент проводился на ускорителе SPS в ЦЕРНе.
Актуальность работы. В настоящее время ни один из многих предлагавшихся сигналов образования кварк-глюонной плазмы, таких как усиление выхода странных и подавление выхода Jfv частиц или "гашение струи" (jet quenching), не позволяют сделать однозначного вывода о наличии или отсутствии фазового перехода в КГП, Все имеющиеся экспериментальные данные могут быть, в принципе, интерп-
ретированы как с привлечением идеи о фазовом переходе так и бея него.
В связи с этим большое значение приобретает измерение выхода прямых тепловых фотонов, которые несут неискаженную вторичными взаимодействиями информацию о состоянии области взаимодействия в целом и позволят сделать вывод о принципиальной возможности формирования кварк-глюонной плазмы при энергиях, достпжпмых на существующих ныне ускорителях.
Научная новизна. Впервые предложены метод разделения заряженных и нейтральных частиц, позволяющий проводить это разделение даже при не очень хорошей эффективности и пространственном разрешении вето-детектора заряженных частиц, и метод вычисления эффективности регистрации гамма-квантов многомодульным фотонным спектрометром в условиях высокой множественности. Эти методы позволяют существенно уменьшить систематическую погрешность при измерении спектров фотонов в релятивистских ядро-ядерных столкновениях.
Впервые измерено абсолютное сечение выхода фотонов в реакции S 4- Аи прп энергпп 200 ГэВ/нуклон п получен верхний предел выхода прямых фотонов в этой реакции. Сравненпе этого верхнего продела с существующими теоретическими моделями позволяет отвергнуть некоторые сценарии описывающие процесс взаимодействия релятивистских ЯДЄ]).
Конкретный пичный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 12 работ в соавторстве. Лично автором разработан метод вычисления эффективности регистрации фотонов в условиях высокой множественности вторичных частиц и метод инклюзивного разделения спектров заряженных и нейтральных частиц, позволяющий проводить такое разделение с высокой точностью даже прп низкой эффективности и плохом пространственном разрешении вето-дотоктора. Автором проведен анализ экспериментальных данных, получен верхний предел выхода прямых фотонов в реакции S + An при энергии 200 ГэВ/нуклон п проведено сравнение экспериментальных данных с существующими теоретическими моделями.
Апробация работы и публикации. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на семинарах И конференциях в ПОЯФ РНЦ "Курчатовский институт", а также на международных конференциях "Кварковая матерпя-93" (Борлаиге, Швеция), "Кварковая материя-
91" (Монреррей, США). международной конференции по физике н астрофизике кварк-глюонной плазмы в Калькутте. Индия (1993). конференциях по ядерной динамике в Сноуберд, США (1994) п Лео Арке. Франция 11994).
Основные результаты диссертации опубликованы в G работах, которые приведены в конце автореферата.
Положения выносимые на защиту.
Методика вычисления эффективности регистрации фотонов в условиях высокой множественности путем наложения тестовых фотонов на померенные события.
Метод разделения наряженных и нейтральных частиц, который позволяет проводить ято разделение даже прп низкой -эффективности и плохом пространственном разрешении вето-детектора заряженных частиц.
Инвариантные, сечения выхода фотонов в реакции 200 ГзВ/нуклон S + Аи в диапазоне поперечных импульсов 0,3 - 3,7 ГэВ/с и диапазоне быстрот от 2.1 до 2.9.
Верхний предел выхода прямых фотонов в реакции S + Аи прп энергии 200 ГэВ/нуклон.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав п заключения. Основная часть диссертации содержпд 114 страниц текста, в том числе 8 таблиц и 54 рисунка. Список использованной литературы содержит 120 наименований.
