Введение к работе
Актуальность темы.
Как известно, в сильно нагретом или сжатом веществе могут происходить фазовые переходы в новое состояние. Если сжимать или нагревать ядерную материю, в ней может возникнуть переход из адронной фазы в состояние, называемое кварк-глюонной плазмой (КГП). В этом состоянии кварки и глюоны выходят за пределы области конфаймента с радиусом порядка 1фм, образуя единый кварковый мешок макроскопических размеров, в объеме которого они могут двигаться почти свободно. КГП может быть создана только в экстремальных условиях. Такие условия существовали спустя одну
микросекунду после Большого Взрыва (высокая температура Т > 10 К) и, как ожидается, могут существовать в ядрах нейтронных звезд (высокая плотность, в десять раз превосходящая плотность ядерного вещества). В лабораторных условиях КГП может быть получена только в релятивистских ядро-ядерных столкновениях. Теоретические оценки показывают, что при соударениях тяжелых ядер с энергией более 100 ГэВ на нуклон достигается барионная плотность, в 2-3 раза превышающая плотность стабильной ядерной материи. Кроме того, образующаяся в области перекрытия сталкивающихся ядер система сильно взаимодействующих адронов, называемая файерболом, существует достаточно долго и может достигнуть термодинамического равновесия при температуре около 200 МэВ, превышающей температуру фазового перехода в состояние КГП. Этот горячий и плотный файербол образуется из нуклонов ядра-мишени и ядра-снаряда, испытавших хотя бы одно взаимодействие. Такие нуклоны принято называть нуклонами-участниками. Размер файербола, очевидно, пропорционален полному числу участников, которое зависит от размеров сталкивающихся ядер и прицельного параметра и служит мерой центральности ядро-ядерных столкновений. В зависимости от прицельного параметра различают периферические и центральные взаимодействия ядер. В центральных столкновениях с близким к нулю прицельным параметром образуется файербол с максимальной плотностью энергии. Изучение свойств такого файербола является одной из главных задач физики релятивистских ионов.
К наиболее убедительным сигналам, свидетельствующим об образовании КГП в центральных столкновениях тяжелых ионов, относится увеличение нормированного на число нуклонов-участников выхода странных частиц в ядро-ядерных столкновениях по сравнению с протон-ядерными реакциями. К странным частицам относятся К-мезоны с массой 490 МэВ и более тяжелые Л, X, Е и Q гипероны с массами, превосходящими массу нуклона. К-мезоны, гипероны и их античастицы являются носителями квантового числа S, называемого странностью, которое определяется числом странных кварков s
или антикварков s, входящих в состав данной частицы. Таким образом, множественность странных частиц, рождающихся в неупругих столкновениях релятивистских нуклонов, зависит от концентрации образовавшихся ss пар, которая в КГП должна быть выше, чем в обычной ядерной материи. Действительно, рождение кварк-антикварковых пар, в том числе и ss пар, происходит главным образом в процессе глюон-глюонного взаимодействия gg—»ss, вероятность которого в КГП возрастает по двум
причинам. Во-первых, плотность глюонов в плазме очень велика, а во-вторых, восстановление в плазме киральной симметрии приводит к уменьшению массы странного кварка, что снижает энергетический порог образования странности. Следовательно, если в столкновениях ядер образуется КГП, то следует ожидать роста множественности странных частиц в конечном состоянии по сравнению с протон-ядерными реакциями. Об актуальности задачи поиска нового состояния ядерной материи в релятивистских ядро-ядерных столкновениях свидетельствует большое число как планируемых, так и уже осуществленных экспериментов, целью которых является наблюдение различных сигналов кварк-глюонной плазмы. Наряду с тяжелоионными экспериментами с фиксированной мишенью на протонном суперсинхротроне SPS в ЦЕРНе, в которых может быть измерен, как правило, ограниченный набор наблюдаемых, полномасштабное исследование характеристик ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях планируется осуществить в экспериментах STAR и РНЕМХ на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC в Брукхевене и в эксперименте ALICE на большом адроном коллайдере LHC в Женеве.
Цель работы.
В основе диссертационной работы лежит анализ данных, полученных в эксперименте NA57, который является одним из основных осуществленных в ЦЕРНе экспериментов с целью изучения выходов странных частиц в столкновениях тяжелых ионов при энергиях SPS. Главная задача эксперимента NA57 заключалась в измерении спектров К мезонов, А0, Е~ и
СГ гиперонов и их античастиц по поперечному импульсу и продольной быстроте в широком диапазоне центральности столкновений ядер свинца при двух граничных энергиях SPS 40 и 160 ГэВ на нуклон. Наличие в экспериментальной установке детектора центральности, предназначенного для отбора ядро-ядерных столкновений по величине их параметра удара, позволило провести сравнительный анализ центральных и периферических Pb+Pb столкновений. Его цель состояла в том, чтобы установить границу перехода от области простой суперпозиции нуклон-нуклонных взаимодействий к области, где начинают проявляться коллективные эффекты. Главная задача теоретического анализа состояла в сравнении экспериментальных распределений странных частиц с предсказаниями статистической модели ядерного файербола и партонно-струнной модели,
рассматривающей ядро-ядерные взаимодействия на партонном уровне, с целью прояснить механизмы рождения странных частиц в релятивистских столкновениях ядер.
Научная новизна работы.
1. Впервые измерены и проанализированы выходы К мезонов, Л, Е~ и Q"
гиперонов и их античастиц, образующихся в Pb+Pb взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ, в широком диапазоне центральности сталкивающихся ядер.
2. Определены гиперонные факторы для Л, Е~ и Q" гиперонов и их
античастиц, характеризующие усиление выхода странных частиц в Pb+Pb
взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ по сравнению с р+Ве
столкновениями.
3. Впервые измерены и систематизированы по параметру наклона
распределения по поперечной массе К мезонов, Л, Е~ и Q" гиперонов и их
античастиц, образующихся в Pb+Pb взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ в центральной быстротной области единичной ширины.
4. Измерены и аппроксимированы быстротные распределения К мезонов,
Л, S" и Q" гиперонов и их античастиц, образующихся в Pb+Pb взаимодействиях при энергии 160А ГэВ в центральной области быстротного спектра.
5. Впервые определены факторы ядерной модификации для К мезонов, Л
и А гиперонов в Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ.
-
Впервые построена корреляционная функция между средним значением поперечного импульса Л-гиперонов и множественностью заряженных частиц в двух разделенных интервалах по быстроте для Pb+Pb столкновений при энергии 160А ГэВ.
-
Проведены расчеты выходов и спектров странных частиц в рамках стандартных теоретических моделей ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях и выполнено детальное сравнение полученных экспериментальных результатов с модельными предсказаниями.
Научно-практическая ценность работы.
Результаты анализа выходов и спектров странных частиц в релятивистских столкновениях тяжелых ионов имеют большое значение как для понимания динамики ядерных процессов при высоких энергиях, так и для изучения свойств ядерного вещества в экстремальных состояниях. Усиление выхода странных частиц в центральных ядро-ядерных столкновениях рассматривается как возможный сигнал образования кварк-глюонной плазмы. Детальное исследование этого эффекта, проведенное в рамках диссертационной работы, может быть использовано при разработке теоретических моделей, описывающих возможные фазовые переходы в сильно сжатой и горячей адронной материи, а также космологических
моделей, описывающих состояние Вселенной на ранней стадии ее эволюции после Большого взрыва.
Полученные в диссертации результаты могут найти применение в исследованиях ядро-ядерных взаимодействий, которые проводятся в ряде научных центров, таких как ОИЯИ (г. Дубна), НИИЯФ МГУ (г.Москва), ФГУ НИЦ «Курчатовский институт» (г.Москва), НИИФ СПбГУ (г. Санкт-Петербург), ПИЯФ (г. Гатчина) и др.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты анализа зависимости гиперонных факторов, характеризующих
усиление выхода К мезонов и Л, Е~ и Q" гиперонов и их античастиц в
Pb+Pb взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ, от энергии и степени центральности Pb+Pb столкновений.
2. Результаты систематики спектров странных частиц по поперечной массе в
Pb+Pb взаимодействиях при энергии 40 и 160А ГэВ по величине параметра
наклона, характеризующего температуру кинетического вымораживания
файербола.
3. Результаты анализа формы быстротных распределений К мезонов и
гиперонов в Pb+Pb взаимодействиях при энергии 160А ГэВ для разных классов центральности сталкивающихся ядер.
4. Результаты исследования факторов ядерной модификации для К
мезонов, А и А гиперонов в Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ в зависимости от величины поперечного импульса странных частиц.
5. Результаты анализа корреляционной зависимости между средним
значением поперечного импульса А-гиперонов и множественностью
заряженных частиц в Pb+Pb столкновениях при энергии 160А ГэВ.
-
Результаты расчетов и интерпретации экспериментальных выходов и распределений странных частиц по поперечной массе и быстроте в рамках статистической модели.
-
Результаты расчетов и интерпретации экспериментальных выходов и распределений странных частиц по поперечной массе в рамках партонно-струнной модели.
Достоверность проведенных автором исследований.
Достоверность результатов, полученных в работе, определяется их согласованностью с экспериментальными данными других исследователей (коллаборация NA49 на SPS, коллаборации STAR и РНЕМХ на RHIC), использованием известных, проверенных практикой теоретических моделей и статистических методов обработки экспериментальной информации, а также публикациями основных результатов работы в рецензируемых научных изданиях и обсуждением результатов диссертации на конференциях и симпозиумах.
Апробация работы и публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 36 печатных работ, из них 26 в изданиях по перечню ВАК.
Основные положения диссертации неоднократно докладывались на семинарах кафедры ядерной физики и лаборатории сверхвысоких энергий Санкт-Петербургского государственного университета, на рабочих совещаниях коллаборации NA57, а также на Международных симпозиумах по многочастичной динамике (Краков, Польша, 2003г.; Кромериц, Чехия, 2006г.), на Международных конференциях по странной кварковой материи (Франкфурт, Германия, 2001г.; Атлантик Бич, США, 2003г.; Кейптаун, Южная Африка, 2004г.; Лос-Анжелес, США, 2006г.), на Международных конференциях по ультрарелятивистским ядро-ядерным столкновениям (Стони Брук, США, 2001г.; Нант, Франция, 2002г.; Окленд, США, 2004г.; Будапешт, Венгрия, 2005г.), на Международных конференциях по физике высоких энергий (Будапешт, Венгрия, 2001г.; Амстердам, Голландия, 2002г.; Ахен, Германия, 2003г.; Лиссабон, Португалия, 2005г.), на 8-й Международной конференции по ядро-ядерным столкновениям (Москва, Россия, 2003г.), на 18-м международном совещании по физике высоких энергий и квантовой теории поля (Санкт-Петербург, Россия, 2004г.).
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Список использованной литературы содержит 126 наименований. Текст диссертации содержит 177 страниц машинописного текста, включая 65 рисунков и 26 таблиц.
Личный вклад автора.
Автором была сформулирована и решена основная задача диссертационной работы о роли коллективных эффектов в центральных ядро-ядерных столкновениях при энергии SPS. Автор принимал участие во всех измерениях, проведенных коллаборацией NA57 на ядерных пучках ускорителя SPS в ЦЕРНе, а также занимался разработкой и отладкой программ для обработки первичных экспериментальных данных. Автор лично выполнил расчеты в рамках статистической и партонно-струнной модели ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях, использованные им для интерпретации экспериментальных результатов. В работах по теме диссертации, выполненных с соавторами, участие автора заключается в постановке задачи исследования и сравнительном анализе полученного экспериментального материала.
