Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Столкновения релятивистских ядер 10
1. Введение. История вопроса 10
2. Модели ядро-ядерных взаимодействии 14
3. Мягкие и жесткие тесты плотной материи в ультрарелятивистских столкновениях тяжелых ядер 20
Глава II. Установка CMS на коллайдере LHC 36
1. Большой адронный коллайдер (LHC) 36
2. Общее описание установки Компактный мгооиный соленоид (CMS) 39
3. Наблюдаемые в ядро-ядерных взаимодействиях па установке CMS 50
Глава III. Программное обеспечение для моделирования ядро-ядерных соударений на установке CMS 52
1. Компьютерные программы-генераторы столкновений релятивистских ядер. HIJING, PYTHIA и PYQUEN 52
2. Программное обеспечение для моделирования отклика установки CMS 65
Глава IV. Струи. Энергетические потери струи. Модифи кация функции фрагментации струи (ФФС) в ультрарелятивистских соударениях ядер G7
1. Восстановление ФФС її канале с рождением лидирующего тг 72
2, Определение ФФС и канале с рождением лидирующего мюона в струях от 6-кварков 79
Глава V. Использование передних калориметров установки CMS. Определение параметра удара 83
1. Восстановление энергии, выделившейся в HF-калориметре 83
2. Нахождение и реконструкция струй в HF-калориметре 87
3. Определение параметра удара с помощью калориметров HF и CASTOR 94
Глава VI. Мониторирование и калибровка адронного калориметра установки CMS 101
1. Мониторирование адронного калориметра по моментам энергетического распределения в ячейках калориметра 101
2. Влияние раскалибровки адронного калориметра на реконструкцию капала Н струи 109
Заключение 116
Список литературы 119
- Модели ядро-ядерных взаимодействии
- Общее описание установки Компактный мгооиный соленоид (CMS)
- Программное обеспечение для моделирования отклика установки CMS
- Нахождение и реконструкция струй в HF-калориметре
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время высокий интерес к изучению свойств сверхплотной материи, образующейся в ультрарелятивистских столкновениях ядер, обусловлен возможностью достижения в этих условиях деконфайнмен-та адронной материи и формирования кварк-глюонной плазмы (КГП). В этой связи в последнее время рассматриваются т.н. "жесткие" тесты КГП — адроиы, лептоны, фотоны и струи с большими поперечными импульсами, несущие информацию о ранних стадиях ее эволюции. Экспериментальные данные, полученные на коллайдере RHIC в Брукхейвен-ской национальной лаборатории (подавление выхода жестких адронов, сильная азимутальная анизотропия потока частиц), дают основания полагать, что КГП могла быть образована в наиболее центральных соударениях тяжелых ионов (Ли — Ли). При энергии RHIC жесткие процессы (с передачей импульса >> 1 ГэВ/с) играют важную роль в формировании начального состояния, но влияние "мягкой" физики все еще существенно для интерпретации данных. При энергии коллайдера LHC в Европейском центре ядерных исследований открывается новый режим физики соударений тяжелых ионов, в котором жесткие и полужесткие процессы рождения вероятно будут доминировать над мягкими эффектами, а статистика ожидается достаточно высокой для систематического анализа различных аспектов "КХД-физики" в среде с начальной плотностью энергии, намного превышающей критическое значение для кварк-адронного фазового перехода. При прохождении через плотную среду и взаимодействии с ее конституентами, струи партонов изменяют свои первоначальные свойства: направление импульса, энергию и распределение партонов внутри струи. Актуальной проблемой представляется проведение всестороннего анализа возможности детектирования КГП, условий ее формирования и характера пространственно-временной эволюции с помощью "жестких" тестов — адронных струй, жестких адронов, лидирующих частиц в струе и лептонных пар больших инвариантных масс, модификация спектров которых может служить признаком перерассеяния в КГП. В то же время для подготовки к анализу данных, которые будут получены на LHC, актуальной и важной задачей представляется также разработка и оптимизация алгоритмов поиска и реконструкции жестких струй и лидирующих частиц в струях с учетом реальных условий эксперимента, в частности, большой множественности "фоновых" частиц и предельных загрузок детекторов, а также определение глобальных характеристик соударения (центральности).
Диссертация посвящена моделированию множественного рождения частиц и струй в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и изучению условий регистрации различных характеристик ядро-ядерных соударений на установке Компактный мюонный соленоид (CMS) на строящемся в настоящее время в Европейском центре ядерных исследований коллайдере LHC
Основной целью работы является:
Моделирование множественного рождения частиц и струй в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и определение их чувствительности к образованию КГП.
Изучение возможности исследования различных физических процессов в соударениях тяжелых ионов и создание методик анализа откликов детекторов установки CMS.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа модификации функции фрагментации струи (в том числе от кварков, "помеченных" лидирующими мюонами) в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и возможности ис- пользования калориметрической системы установки CMS для изучения данных эффектов.
Результаты исследования корреляции энергетического потока и параметра удара и анализ методики определения параметра удара по энергетическому отклику в области передних калориметров (3 < М < 6.7) установки CMS.
Алгоритмы нахождения струй в переднем HF-калориметре (3 < М 5: 5) и нейтральных пионов в струях в электромагнитном калориметре (-3 < ц < 3) установки CMS в случае соударений тяжелых ионов.
Анализ методики мониторирования и калибровки адронного калориметра установки CMS, а также влияние раскалибровки на восстановление канала распада Хиггс-бозона на два таона.
Научная новизна и ценность работы
Проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих нейтральных пионов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, на основе которого продемонстрирована возможность использования данного эффекта для диагностики формирования КГП. Впервые показана возможность наблюдения функции фрагментации струи с лидирующим нейтральным пионом в условиях эксперимента на CMS. Проанализирован канал с рождением инициированных 6-кварками и "меченных" мюонами струй для диагностики КГП. Впервые проведен численный расчет модификации измеряемой с помощью лидирующих мюоиов функции фрагментации струи в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов и сделан вывод о его чувствительности к абсолютному значению потерь энергии fr-кварка в КГП и угловому спектру излучаемых в среде глюонов.
Разработаны оригинальные алгоритмы поиска и реконструкции струй в HF-калориметре установки CMS и электромагнитных кластеров в струях в событиях с высокой множественностью. Было показано, что использованные алгоритмы позволяют адекватно решить задачу измерения функции фрагментации в соударениях тяжелых ионов на установке CMS.
Проанализирована методика определения параметра удара для случая соударений тяжелых ионов по корреляции параметра удара с полной (поперечной) энергией, выделяющейся в области передних калориметров установки CMS, а также с числом непровзаимодействовавших нуклонов ядер. Было показано, что достигнутая для РЬ — Рб-соударений точность определения параметра удара позволяет адекватно определить центральность соударений для физического анализа различных каналов.
Разработана оригинальная методика мониторирования адронного калориметра установки CMS, использующая анализ энергетических распределений в башнях калориметра. Было показано, что дисперсия и более высокие моменты распределений чувствительны к понижающейся способности ячеек калориметра регистрировать энергию вследствие накапливающихся радиационных повреждений. Данная методика позволяет определять коэффициенты, характеризующие подавление энергии в калориметре, даже в случае значительного фона и малой загрузки башен сигнальными событиями. Впервые исследована чувствительность канала распада Хиггс-бозона на два таона к измениеию абсолютной шкалы измеряемой энергии и к неопределенности калибровочных коэффициентов в адрошюм калориметре установки CMS. Было показано, что гауссово размытие (в разумных пределах) калибровочных коэффициентов незначительно влияет на эффективность отборов для нахождения Хиггс-бозона и разрешение по его массе.
Результаты данной работы важны для изучения ядро-ядерных соударений на установке CMS и могут быть использованы в других междуна- родных ускорительных экспериментах.
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в отечественных и зарубежных научных журналах, в виде сообщений коллаборации CMS и препринтов НИИЯФ МГУ. Они докладывались на Международной конференции "Quark Matter'2002" (Нант, Франция, 2002), на 5-ой Международной конференции по физике и астрофизике кварк-глюонной плазмы (Калькутта, Индия, 2005), на совещаниях RDMS CMS коллаборации (2002, 2003, 2004), на Ломоносовских чтениях МГУ, а также на научных семинарах в НИИЯФ МГУ и в Европейском центре ядерных исследований (Женева, Швейцария).
Публикации
Представленные в диссертации результаты опубликованы в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Структура диссертации
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и приводится общее описание структуры диссертации.
В первой главе приводится обзор научной литературы, обсуждаются общие проблемы, связанные с изучением ядро-ядерных соударений высокой энергии. Также обсуждается возможность формирования кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжелых ионов при энергиях ускорителя LHC, который начнет свою работу в 2007 году.
Во второй главе дается общее описание установки CMS и ее отдельных детекторов. Обсуждается общая научная программа исследований эксперимента CMS. Описана научная программа по изучению ядро-ядерных столкновений на установке CMS. Кроме того, обосновывается необходимость проведения методической работы по созданию алгоритмов реконструкции различного рода процессов в столкновениях тяжелых ионов на установке CMS.
В третьей главе рассматривается программное обеспечение для моделирования ядро-ядерных соударений на установке CMS. Обсуждаются программы-генераторы HIJING, PYTHIA и PYQUEN. Приведено описание программы GEANT-описания установки CMS, адаптированной к моделированию откликов детекторов на ядро-ядерные столкновения.
Четвертая, пятая и шестая главы посвящены разработанным диссертантом методам изучения различных процессов в ядро-ядерных соударениях на установке CMS.
Модели ядро-ядерных взаимодействии
Важным является вопрос о самой возможности достижения равновесного (с точки зрения термодинамики) состояния системой вторичных партонов, генерируемых в процессе ультрарелятивистского ядро-ядерного соударения. В принципе, ответ на этот вопрос могут дать микроскопические модели (генераторы событий), использующие метод Монте-Карло и основанные либо на пертурбативных расчетах партонных каскадов (РСМ [21]), либо на струнной феноменологии (HIJING [22, 23], FRITIOF [24], VENUS [25], QGSM [26], DPM [27] и др.). Описание динамики релятивистских ядерных столкновений из первых принципов КХД ограничено, как правило, вычислением свойств жестких процессов партон-партонного рассеяния, идущих па малых расстояниях (с большими передачами импульса). В то же время значительную часть адронных сечений при энергиях действующих ускорителей тяжелых ионов составляют идущие с малыми передачами поперечного импульса мягкие процессы. Поэтому для количественного анализа ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях разработан ряд феноменологических моделей, которые содержат большое количество параметров, подбираемых из сравнения результатов для основных характеристик адрон-адронных, адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий (как, например, сечения различных каналов реакций, распределение по множественности и инклюзивные спектры вторичных частиц) с имеющимися данными на ускорителях и в экспериментах с космическими лучами. При разработке моделей, описывающих адронные состояния и мягкие адронные и ядерные взаимодействия, широко используется струнная концепция, вытекающая из исследования свойств КХД [28]. Основным объектом таких моделей является классическая релятивистская струна, представляющая собой двухмерную поверхность в четырехмерном про странстве Мипковского, "натяжение" которой определяет энергию связи адронного состояния. В момент соприкосновения ядер в результате отдельных неупругих нуклон-нуклоиных взаимодействий происходят интенсивные кварк-глюоиные обмены, приводящие к образованию кварк-глюонпых струи с их последующим возбуждением и распадом на адроны в соответствии с заложенными феноменологическими функциями фрагментации (их параметры подбираются из сравнения с е+е и рр данными).
Существует возможность включения различных коллективных эффектов в струнные модели для согласования получаемых результатов с экспериментальными данными. В частности, если быстрые частицы формируются вне ядра-мишени и ядра-снаряда, то медленные частицы могут образовываться внутри ядра и, взаимодействуя с нуклонами, инициировать развитие "холодного" внутриядерного каскада, учет которого в некоторых струнных моделях (VENUS, DPM) приводит к увеличению множественности в областях быстрот фрагментации мишени или пучка и увеличению относительной доли странных частиц. В то же время "горячее" каскадирование, соответствующее взаимодействию между рожденными частицами, может приводить к некоторым изменениям в импульсном распределении адронов и их составе в центральной области быстрот [29]. Другими коллективными эффектами, приводящими к более жесткому спектру вторичных адронов по поперечному импульсу и повышенному выходу странных частиц, являются взаимодействие (отталкивание или слияние) струн (QGSM [30] и DPM [31]) и их коллективное излучение — модель "огненных крекеров" (FRITIOF [29]). При энергиях коллайдеров [y/s 100 ГэВ) заметный вклад в формирование конечного адронного состояния вносят жесткие и полужесткие процессы партон-партонного рассеяния с передачей импульса Q2 1 (ГэВ/с)-, которые включаются в струнные модели как с обменом жест кими померонами (VENUS, QGSM), так и с добавлением инклюзивного сечения образования двух жестких струй в отдельном нуклон-нуклонном субстолкновении (FRITIOF, HIJING). Увеличение энергии сталкивающихся пучков приводит к быстрому росту сечения жестких процессов [22], которые дают вклад примерно в половину поперечной энергии в соударениях тяжелых ионов при энергиях RHIC и более 80% при энергиях LHC [32]. В то же время мягкие процессы с малой передачей импульса Q2C 1 (ГэВ/с)2 могут частично или полностью подавляться вследствие экранировки цветового взаимодействия в плотной партонной материи, формируемой из системы министруй на самых ранних стадиях реакции. Таким образом, при энергиях LHC наступает своего рода "смерть" мягкой физики, когда, как ожидается, жесткие и полужесткие процессы рассеяния будут давать определяющий вклад в формирование начального состояния.
Партонная каскадная модель (РСМ) рассматривает сталкивающиеся ядра как два "облака" валентных и морских кварков и глюонов, которые проходят друг через друга и пертурбативно взаимодействуют, приводя систему к состоянию локального термального равновесия. Каскадная модель предсказывает достаточно быструю термализацию глгоонпой материи в центральной области быстрот в соударениях тяжелых ядер, обусловленную комбинацией индивидуальных партон-партон-пых рассеяний и глюонной радиацией партонов: предсказываемое время тсрмализации тед составляет 0.5 1 фм/с для RHIC и 0.1 0.5 фм/с для LHC [21, 32]. Заметим, что вопрос о возможности достижения системой партонов химического равновесия все же остается открытым даже в столкновениях самых тяжелых ионов при максимальных энергиях LHC. Отметим также другой интересный аспект, связанный с возможной негомогенностыо начальных условий формирования партонной материи: развитие партонньгх каскадов может приводить к большим флуктуаци-ям локальной плотности энергии (тлі. "горячим пятнам") и образованию
Общее описание установки Компактный мгооиный соленоид (CMS)
Предложение о создании компактного детектора для LHC, использующего соленоидальный магнит для измерения импульса частиц (Compact Muon Solenoid, CMS), было представлено в октябре 1990 года на рабочем совещании LHC в Аахене [110]. Общий вид экспериментальной установки CMS представлен на рис.6 [111]. Внутри обмотки соленоида будут располагаться: трековый детектор (ТК) [112]; электромагнитный калориметр (ECAL: ЕВ, ЕЕ) [113]; адронный калориметр (HCAL: НВ, НЕ) [114]. За пределами обмотки соленоида будут находиться: мюонные камеры (MB, ME) [115]; передние калориметры (HF, CASTOR) [114, 116]. На рис.7 и рис.8 представлены также продольный и поперечный разрезы установки CMS. Параметры детектора таковы: длина (без передних калориметров) 21.6 метра, диаметр 14.6 метра, полный вес 14 500 тонн. Длина сверхпроводящего соленоида 13 метров, его внутренний радиус 2.95 метров, создаваемое магнитное поле равно 4 Тесла [117]. Трекерный (вершинный) детектор установки CMS состоит из кремниевых пиксельных и кремниевых стриповых детекторов и покрывает область псевдобыстроты т? 2.4. Главная цель трекерной системы — добиться возможности реконструкции с ее помощью треков частиц с боль шими рт с эффективностью выше 95% [118]. Требуется также достижение высокой точности в пространственном разрешении высокоэнергичных треков (до 20 микрон в поперечной и до 100 микрон в продольной плоскостях). Мгаоны будут регистрироваться с помощью четырех мюонных станций.
Центральные мюонные станции (от MS1 до MS4) состоят из двадцати алюминиевых дрейфовых детекторов, расположенных в двенадцати азимутальных секторах так, чтобы они покрывали полную окружность без разрывов (рис.8). Торцевые мюонные системы также состоят из четырех мюонных станций от MF1 до MF4, разбитых по азимуту на сектора. Центральные и торцевые мюонные камеры покрывают область псевдобыстроты ту 2.4. Эффективность регистрации мюона близка к 100% при его псевдобыстроте т//([ 2.4 и поперечном импульсе рт 4 ГэВ/с. Разрешение поперечного импульса мюона Дрг/рг постоянно для центральной области псевдобыстроты \q(t\ 1.5 и составляет менее 1% для мюона с рт 100 ГэВ/с и около 5% при рт — 1 ТэВ/с. Электромагнитный калориметр (ECAL) будет состоять из кристаллов вольфрамата свинца {PhWO ] с фотоумножителями. ECAL покрывает область значений псевдобыстроты \т}\ 3.0, Кристаллы будут начинаться с радиуса около 1.29 метра от центральной оси и иметь длину 23 см. Кристаллы электромагнитного калориметра объединены в башни таким образом, чтобы соответствовать башням адронного калориметра (см. далее). Пространство от электромагнитного калориметра до обмотки соленоида занимает адроиный калориметр (HCAL). Он предназначен для измерения энергий и направлений струй, а также потока поперечной энергии. HCAL своими центральной (НВ) и двумя торцевыми частями (НЕ) покрывает область значений псевдобыстроты \т]\ 3.0. Конструкция адронного калориметра состоит из медных пластин и сцинтилляторов [119]. В центральной области каждая из ячеек адронного калориметра имеет размеры Агу х Дуз = 0.087 х 0.087 рад [120]. Торцевая часть имеет более сложное строение [111]; размеры башен по г\ и р начинаются от 0.087 (// 1.5) и постепенно увеличиваются до 0.345 (?7 3.0). Передний (HF - Hadron Forward) калориметр предназначен для измерений в области псевдобыстроты 3.0 \rj\ 5.2 потока поперечной энергии E F и регистрации струй.
Измерения недостающей поперечной энергии (где Е? — полная поперечная энергия, Е?9 — полная регистрируемая поперечная энергия, Е?в и Е Е — поперечные энергии, выделившиеся в центральной и торцевых частях соответственно, Etf ьтик — по_ перечная энергия, выделившаяся в калориметре CASTOR) важны для изучения каналов распада топ-кварка и поиска Хиггс-бозона по каналам Я —у WW - li/jj и Я —у ZZ llvu . Измерение Eflss также интересно для поиска суперсимметричных частиц. Нахождение струй в этой области играет ключевую роль в поисках Хиггс-бозона в каналах Н — WW —ї Ivjj иЯч ZZ —У lljj, порождающих две струи с большой псевдобыстротой [121]. Передний калориметр основан на регистрации черепковского излучения в кварц-пластиковых волокнах, вкрапленных в железный поглотитель. Калориметр CASTOR (Centauro And STrange Object Research) покрывает область псевдобыстроты 5.3 \r)\ 6.7 (Arj = 1.4). Основные задачи, которые могут быть исследованы с помощью калориметра CASTOR в /jp-coyдарениях, включают изучение [116]: распределения партонов с малыми х (переменная Фейнмана) в протоне; процессов обмена жесткими померонами; дифракционных процессов; потоков энергии, уносимых лидирующими частицами (при больших значениях псевдобыстроты); экзотических явлений в переднем регионе псевдобыстроты, таких как Центавры и конденсат с нарушенной киральной симметрией, а также измерение светимости через КХД-процессы {рр —У рр е+е ). В ядро-ядерпых соударениях с помощью калориметра CASTOR предполагается изучать [116]: распределение партонов в ядре при очень малых х\
Программное обеспечение для моделирования отклика установки CMS
Для детального моделирования откликов установки CMS группой специалистов в Европейском центре ядерных исследований создан пакет компьютерных программ CMSIM (CMS Simulation Package) [142], основанный на GEANT-описании [143] геометрии установки. Пакет написан на языке FORTRAN с использованием отдельных включений на языке C++. CMSIM, учитывая детальную геометрию установки CMS, позволяет смоделировать отклики детекторов установки CMS на различные процессы. CMSIM позволяет также подобрать калибровочные константы для детекторов, создать и отладить алгоритмы поиска и изучения самых разнообразных событий, которые в дальнейшем можно будет применять на работающей установке. Пакет CMSIM постоянно развивается, на момент написания диссертации последней версией была CMSIM 133. Наряду с целым набором замечательных и уникальных возможностей, существенным недостатком программы CMSIM является тот факт, что изначально она была написана для моделирования событий и получения откликов только от протон-протонных взаимодействий. В то же время случай ядро-ядерных столкновений не был предусмотрен в данной программе.
Главная трудность, обусловливающая невозможность использования пакета CMSIM в стандартном виде для моделирования откликов детекторов установки CMS от ядро-ядерных столкновений, состоит в том, что в компьютерном коде программы основополагающие массивы задекларированы исходя из потребностей моделирования протон-протонных столкновений, в которых в каждом событии число родившихся частиц не превышает одну-две тысячи. В случае же ядро-ядерных столкновений при энергиях LHC число родившихся частиц может превышать одну сотню тысяч (как в случае центрального столкновения Pb—Pb), что приводит к переполнению массивов как для числа частиц, так и для массивов откликов детекторов, что, в свою очередь, приводит к прекращению работы программы. Вследствие этого представляется невозможным использование пакета программ CMSIM в том виде, в котором он существует в настоящее время, для моделирования откликов детекторов установки CMS на ядро-ядерные соударения. Поэтому необходимо использовать сложную обходную процедуру получения откликов калориметров установки на соударения тяжелых ионов. Для этого выходной файл после работы программы HIJING должен содержать записи о типе частиц, компонентах импульса частиц, энергии. Этот файл является входным для программы CMSIM. Так как GMSIM не справляется с событиями с огромной множественностью, как в ядро-ядерных соударениях, то приходится разбивать такие события на мини-события по 1000 частиц. Сначала происходит сохранение таких мини-событий с помощью программ, входящих в пакет CMSIM, в виде, необходимом для дальнейшей обработки (НЕР-формат). В результате такой операции имеем NTPL-файл, содержащий запись о событиях, каждое из которых разбито на мини-события по 1000 частиц. Далее происходит считывание данных из NTPL-файл а, которые пропускаются через CMSIM. Полученные таким путем отклики, например, HF-калориметра на мини-события по 1000 частиц объединяются на следующем этапе, получая отклики на исходные соударения тяжелых ионов. И на выходе CMSIM имеем массив чисел — откликов калориметра, представляющих собой энергию в ГэВах, выделившуюся в каждой башне калориметра. Для HF-калориметра таких чисел 1728 для одного события ((36 башен калориметра по ф) х (12 башен по rj) х 2 (короткие и длинные кварцевые волокна) х 2 (правая и левая части калориметра)). Рождение струй — один из важных инструментов изучения свойств сверхплотной сильновзаимодействую щей материи, КГП, образование которой ожидается в соударениях тяжелых ионов в экспериментах на кол-лайдерах RHIC и LHC.
Потери энергии партонов (гораздо более интенсивные в КГП, чем в "холодном" ядерном веществе) могут приводить к ряду экспериментально наблюдаемых эффектов (см. обзор [144]). В частности, в ряде работ [145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152] исследовалась возможность "смягчения" ФФС (ФФС — вероятность найти в струе адрон, уносящий определенную долю поперечного импульса рт струи) и, как следствие, подавление выхода адронов с большими рт, в ядро-ядерных соударениях по сравнению с моделью независимых нуклоп-нуклонных бинарных столкновений. Последние данные RHIC по инклюзивному рождению заряженных и нейтральных адронов с большими рт, полученные в экспериментах STAR [153], PHENIX [95], PHOBOS [154] и BRAHMS [155], подтверждают наблюдение такого подавления и согласуются с гипотезой потерь энергии жестких партонов в КГП [102]. Однако, поскольку пособытийная реконструкция струй и их характеристик в данных экспериментах не проводится, предположение о том, что все частицы с большими рт являются продуктом фрагментации струй, не вполне обосновано [156]. При энергии LHC открывается новый режим физики соударений тяжелых ионов, в котором жесткие и полужесткие процессы рождения, вероятно, будут доминировать над мягкими эффектами, а статистика ожидается достаточно высокой для систематического анализа различных аспектов "КХД-физики" в среде с начальной плотностью энергии, намного превышающей критическое зна
Нахождение и реконструкция струй в HF-калориметре
Для моделирования начальных распределений струй в нуклон-нук-лонных соударениях при энергии LHC y/s = 5.5 ТэВ был использован генератор PYTHIA 6.2 . Затем проводилось пособытийное моделирование методом Монте-Карло перерассеяния и потерь энергии партонов струи в КГП (с помощью программы PYQUEN). В данной модели столкнови-тельные и радиационные потери энергии ассоциируются с каждым актом рассеяния в расширяющейся среде, причем включение интерференционных эффектов в глюонную радиацию проводится путем модификации спектра излучения dE/dl как функции уменьшающейся температуры. Энергетический спектр индуцированного средой когерентного глю-онного излучения и соответствующая доминирующая часть радиационных потерь энергии на единицу длины вычислялись в рамках модели BDMS [141]. И хотя глюонная радиация является доминирующим механизмом потерь энергии партона по сравнению со столкновительными потерями, относительный вклад последних для струи с конечным угловым размером растет с увеличением этого размера вследствие различного для двух механизмов углового распределения потерь [158]. В каждом г-ом рассеянии на сопутствующем (т.е. движущемся с такой же продольной быстротой) конституенте среды быстрый партои теряет энергию как за счет столкновений, так и радиационного излучения, Де , а распределение по координатам вершины рождения струи — в соответствии с (25). Тогда в каждом событии энергия начального партона уменьшается на величину Арт(г,ф) = ]СІ Де,, а потеря энергии струи равна Apj (г, ф: 6Q) = є Ар?(г, ф), где є — доля потерь энергии жесткого партона, уносимая за пределы конуса струи, рассматриваемая нами как феноменологический параметр. Использование такой параметризации существенно упрощает моделирование, поскольку полное вычисление углового спектра глюонной радиации представляет собой довольно сложную задачу [158, 141, 159, 160, 161].
В принципе, величина параметра є определяется размером конуса струи во, и соответствующие зависимости были исследованы численно в работах [141, 160]. Если значение параметра є близко к 0 (доминирует радиация на. малые углы, что соответствует "узкоугловой" (формула 21) параметризации спектра излученных глюонов), то эффект смягчения ФФС максимален, а фактор подавления струй Q ct (формула 27) близок к 1 (т.е. подавление выхода струй практически отсутствует). Увеличение параметра є (т.е. увеличение вклада от радиации на большие углы и вклада от столк-новительных потерь) приводит к усилению эффекта подавления выхода струй и, соответственно, к уменьшению значения Qjet, в то время как эффект смягчения ФФС ослабевает (особенно для больших значений z). В настоящем разделе рассматриваются нейтральные пионы в качестве лидирующих частиц в струе. С методической точки зрения полный трекинг в соударениях тяжелых ионов на LHC является весьма сложной (хотя и решаемой) задачей, в то время как реконструкция струй и электромагнитных кластеров с использованием калориметрических систем к настоящему времени представляется вполне перспективной [104, 106]. При достаточно большом поперечном импульсе 7г (рт 15 ГэВ/с в случае установки CMS) оба фотона от распада 7г попадают в один и тот же кристалл электромагнитного калориметра, и в этом случае традиционная методика восстановления 7г, использующая спектр по инвариантной массе фотонных пар, неприменима. Однако такой электромагнитный кластер может быть идентифицирован как лидирующий л-0 в струе, если он принадлежит жесткой струе и уносит значительную часть ее энергии.
При используемом минимальном пороге на энергию восстанавливаемой струи, Е? min = 100 ГэВ, оцениваемая статистика в геометрическом аксептансе эксперимента CMS, 7fei 3, порядка 107 струй за один месяц работы LHC с пучками свинца. Мы рассмотрим центральную часть установки CMS, которая охватывает диапазон псевдобыстроты г\ 1.5. Размер ячеек в пространстве т]-(р электромагнитного и адронного калориметров составляет: Аг}хА р = 0.0174 х 0.0174 и А-ц х А р = 0.0872 х 0.0872 соответственно. Важным условием экспериментального измерения ФФС является адекватная реконструкция струй в соударениях тяжелых ионов с большой множественностью и реконструкция электромагнитных кластеров в та-ких струях. Разработанные алгоритмы поиска струй и электромагнитных кластеров позволяют решить эту задачу. Описание использованного алгоритма для поиска и реконструкции струй можно найти в работах [165, 166]. Энергия струи собиралась в конусе R = \/Аг] 2 -f- Atp2 0.5 вокруг центра струи. Подробнее остановимся на описании кластеров. Данный алгоритм основан на нахождении электромагнитных кластеров выше средней энергии и пособытийном вычитании фона. В каждом событии реализуется следующая последовательность операций. Первый шаг включает в себя нахождение средней энергии {Е)І И дисперсии Di в каждом г-м кольце кристаллов по г) (рис.20). Второй шаг заключается в вычитании из энергии каждого j-ro кристалла г-го кольца Е среднего значения и дисперсии: Е[л = Ец — (E)i — Д-. Если значение Е\ оказывается отрицательным, то оно заменяется на Е[, 0. Среди полученных после первоначального вычитания фона энергий в кристаллах Е - находится кристалл с максимальной энергией. Он будет считаться центром электромагнитного кластера.