Коллективныеэффектыи пространственно …lav01.sinp.msu.ru/~igor/seminar/VAOkorokov-13022014.pdf · В.А.Окороков 13.02.2014 1 Коллективныеэффектыи

В.А. Окороков13.02.2014

1

КоллективныеКоллективные эффектыэффекты иипространственнопространственно--временнаявременная эволюцияэволюцияпроцессовпроцессов сильногосильного взаимодействиявзаимодействия приприпромежуточныхпромежуточных ии высокихвысоких энергияхэнергиях

(по материалам докторской диссертации)

В.А. ОкороковНИЯУМИФИ

Кафедра физики, НИЯУМИФИКаширское ш., 31, 115409 МоскваРоссийская Федерация

НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУЛаборатория адронных взаимодействий

Семинар, 13 февраля 2014


2

Содержание

1. Введение– Актуальность темы исследования– Цель работы

2. Методика эксперимента– Установки– Условия регистрации и отбора событий

3. Исследовательская часть– Промежуточные энергии– Высокие энергии

4. Заключение– Основные положения и результаты, выносимые на защиту– Апробация работы


3

1.Введение


4

Сильные взаимодействия:проблематика (1)

СМКХД , ,[ ] / 4f f fi D m G G

L

СМКХД КХД, ;

0.5 , 8 .S

G G

G G

L L L L

Лагранжиан КХД как SUc(3) части Стандартной модели имеет следующий вид:

Изучение сильных взаимодействий осложнено тем, что все основные явления носят непертурба-тивный характер, и вакуум КХД обладает очень сложной структурой.

Неабелев характер теории, Образование в конечном состояниисложная структура вакуума в неупругих процессах ≥ 2 партонов

Конфайнмент

Возможное нарушение симмет-рий сильных взаимодействийпри определенных (экстремаль-ных) условиях.

Ненаблюдаемые экспериментально кварки и глюо-ны образуют в результате адронизации локализо-ванные группы регистрируемых бесцветных сос-тояний, известные как адронные струи.

Адронные струи- фундаментальная особенность КХД;- одно из наиболее ярких свидетельств в пользу су-ществования кварков и глюонов


5

Изучение свойств сКГП и соот-ветствующего фазового пере-хода – важные задачи для экс-периментальной и теоретичес-кой физики.

Эти задачи тесно связаны с бо-лее общей проблемой конфайн-мента и перехода от описания спомощью барион-мезонныхстепеней свободы к лагранжиа-ну КХД.

Сильные взаимодействия: проблематика (2)

Релятивистская астрофизика

Космология ранней Вселенной

Рис. 1.1.


6

1. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый за последнее время, полная теория силь-ных взаимодействий пока не создана.

2. Важно исследовать область промежуточных энергий, где происходит переход от описанияпроцессов сильного взаимодействия в рамках барион-мезонных степеней свободы к описаниюна основе лагранжиана КХД.

3. Изучение свойств сильновзаимодействующей материи при экстремальных условиях имеетважное междисциплинарное значение.

Актуальностьтемы исследований

Таким образом, тема диссертации представляется актуальной.

Рис. 1.2. Рис. 1.3.


7

Цель работы

ЦельРазработка совокупности методов исследований и поиск проявлений кварковых сте-пеней свободы в процессах образования мягких адронных струй и новых свойствсильновзаимодействующей материи.

Задачи и методы их решения1. Получение новых экспериментальных данных о проявлении кварк-глюонных степе-

ней свободы при промежуточных энергиях с помощью изучения коллективных эф-фектов в неупругих столкновениях различных типов.

2. Получение новых данных о свойствах сильновзаимодействующей материи в экстре-мальном состоянии на основе исследования жестких струй адронов и корреляцион-ной фемтоскопии.

3. Получение новой информации о структуре вакуума и поведении фундаментальныхсимметрий КХД при конечных температурах с помощью корреляционного анализаядро-ядерных столкновений.


8

2. Методическая

часть


9

Рис. 2.3. Рис. 2.4.

Экспериментальные установки

Рис. 2.1. Рис. 2.2.


10

Исследуемые реакции

В диссертации использовались экспериментальные данные для процессов множественногорождения при начальных энергиях 2.7 – 200 ГэВ (табл. 2.1, 2.2).

Таблица 2.1. Таблица 2.2.

Статистика:- на ПК (табл. 2.1) – около 1.9 105 соб.,- на STAR (табл. 2.2) – около 2.7 108 соб.

- общая – около 2.7 108 соб.


11

Условия регистрации иотбора событий в ПК

1. Пион-протонные реакции

– Эксклюзивный тип регистрации.– Высокая чистота +-пучков (примесь протонов в пучке 0.5%).– Отбирались события с четко идентифицированным протоном (Pp<1 ГэВ/с).– Качественная идентификация частиц, например, для нейтральных странных частиц

(V0): M(0)=(11162) МэВ/с2; M(K0)=(4976) МэВ/с2.

2. Пион-ядерные реакции

– Квазиинклюзивный тип регистрации.– Параметры частиц определялись с учетом многократного рассеяния. – идентифицировались в интервале импульсов 0.08 – 1 ГэВ/с; p - в интервале им-

пульсов 0.15 – 0.6 ГэВ/с.– Реконструкция V0 по двухчастичным распадам.


12

Идентификация и реконструкциячастиц в эксперименте STAR

Инклюзивный тип регистрации. Данные получены с помощью TPC – основной детекти-рующей подсистемы STAR.Идентификация: по ионизационным потерям в газе TPC или с помощью реконструкции потопологии распадов (V0-частицы и мультистранные барионы).

Рис. 2.5.

TPC:- стабильность параметров; - измеряет импульсы в интервале 0.1 – 30 ГэВ/c; - разделяет и р (K) при P < 1.1 (0.7) ГэВ/c;- разрешение по P┴ - около 2 – 7%;- эффективность реконструкции – практичес-ки постоянна при P┴ > 0.4 ГэВ/c и составляет 80 – 90%;- качественная реконструкция: например,M(0)=(11164) МэВ/с2; M(K0)=(4968) МэВ/с2.


13

Методика: краткие выводы

1. Детектирующие установки с конструктивной точки зрения оптимальны для изуче-ния именно коллективных эффектов, корреляционных и геометрических характе-ристик процессов взаимодействия.

2. Экспериментальный материал не содержит дополнительных искажений, обуслов-ленных некорректной работой установок или неправильной методикой проведенияэксперимента.

3. Отобранные реакции и взаимодействия позволяют изучать коллективные эффектыи различные стадии пространственно-временной эволюции процессов сильноговзаимодействия при промежуточных и высоких начальных энергиях.


14

3. Исследовательская

часть


15

Адронные струи: определениеи коллективные переменные

13

1 2 3 1

S , , , , .

СЗ: ; .

Ni ii

ii

p p x y z

Рассматривается набор традиционных коллективных характеристик:

1 1

2 23S min , T max .2

ii i in ni i i i

p p p n p

Таблица 3.1.

Определение:Под струей частиц в физике фундаментальных взаимодействий подразумевается совокупностьвторичных адронов, которые движутся в близких направлениях и продольные компоненты им-пульсов которых много больше соответствующих поперечных компонент относительно неко-торого выделенного направления, называемого осью струи.

6 2 21 1 1 in outG {G } { S , T , , , A , P }.i

i p p


16

Создана база экспериментальныхданных для набора коллективныхпараметров G1.

Изучены зависимости коллективныхпараметров от √s и множественно-сти.

База экспериментальных данныхТаблица 3.2.


17

Экспериментальные результаты:промежуточные энергии

2. -A реакции (4в), (5в):- влияние ядра приводит к существенно болееизотропному распределению вторичных частицв -Ne по сравнению с +p реакцией (табл. 3.3).

Рис.3.1.

1. 6-лучевые +p (без странных частиц):

- качественное согласие с результатами для e+e- ис расчетами для изотропного распределения (приS ≥ 0.3) позволяет предположить, чтонижняя граница по энергии проявления струй-ной структуры события и кварковых степенейсвободы- sl 3 ГэВ.

Таблица 3.3.


18

Зависимость S отмножественности

Фит степенной функциейS N.

- совместная выборка (3в)+(5в) – описание на качест-венном уровне при = -0.5;

- хорошее согласие экспериментальных данных дляразличных реакций и расчетов для изотропного рас-пределения частиц в релятивистском случае (кр. 2);

- можно предположить, что универсальная ниж-няя граница проявления струйной структуры со-бытия и новых степеней свободы – sl ~ 3-4 ГэВ.

Рис.3.2.


19

Зависимость T(s)

Рис.3.3.

- для LHC непертурбативные поправ-ки пренебрежимо малы;- DM: объединенная выборка описывает-ся с приемлемым качеством при s > 10ГэВ (2/ст.св.≈ 3.2), на качественномуровне – при любых доступных √s;

- SDGM: качественное описание толькодля области s > 10 ГэВ.


20

Результаты для S(MZ)При любом smin значения S(MZ) для различныхвыборок разумно согласуются как между собой,так и с «мировым» средним.Результат данной работы

S(MZ) = 0.121 0.011

Исследование T(s) позволяет получать S(MZ),согласующееся с результатами, полученными вдругих экспериментах при изучении струй.

Рис.3.4.


21

Релятивистски-инвариантныеколлективные характеристики

2

J J J 1

, P .

| |, .

k k k k k

Nkk

b V U U m

V U U U U

2

( ) ( ) ,

4 [ 1 4 ].k k

k k

F b N dN db

m b b

32 2 1G {G } { , T , D}.i

i k kb

м гр п гр

[ ( )]/[ ( )];

( ) ( ) .

ii i

i i

X m UU m U U

X X X X

Квадрат расстояния k-ой частицы от оси струи V в пространстве 4-мерных скоростей:

Область фрагментации мишени (пучка) выделяется как (, = м, п; ≠ )

Кластерная размерность (D) – количественный параметр, ко-торый характеризует заполнение струей фазового простран-ства и может принимать как целые, так и нецелые значения.

Для процесса п + м→ 1+2+… рассматривается набор релятивистски-инвариантных параметров

Средняя кинетическая энергия пионов в струе в системе покояпоследней (температура) – Тk – определяется с помощью фи-тирования инвариантной функции F(bk).

0

D 2ln[ ( )] / ln( ),

( ) .k

k kb

k

N b b

N b dN


22

bk (s): вторичные пионы

Универсальные фитирующие функции1. Диапазон энергий s > 3.5 ГэВ

G2i = + ln(s/s0), i = 1–3.

2. Диапазон энергий s < 4 ГэВ

G2i = [(s/s0) – ], i = 1–3.

Рис.3.5.

Таблица 3.4.

- Существенное увеличение bk в узком интерва-ле s ~ 3 ГэВ и плавный рост в дальнейшем.


23

Tk(s) и D(s): вторичные пионы

- Существенное увеличение Tk и D для (1в) и(3в) в узком интервале s и плавный рост придальнейшем увеличении энергии.

- Поведение зависимостей и результаты фитовне противоречат гипотезе о проявлении квар-ковых степеней свободы в образовании пион-ных струй при s ~ 3 ГэВ.

- Значения параметра согласуются с результа-тами, полученными выше.

Таблица 3.5.

Рис. 3.6.


24

3

2

CC S

( , )S

in i

i iin nn

i iin n

d NdP dP dydv

P yd N P dP dya

Анизотропный поперечный поток:наблюдаемые

Определение:плоскость реакции – плоскость, содержащая осипучков и линию, соединяющую центры сталки-вающихся ядер.

Выполняется фурье-разложение трижды дифферен-циального инвариантного распределения частиц i-готипа в импульсном пространстве относительноплоскости реакции.

3 2

1

RP

1 1 2{ C S } ,2

cosC, arctg( ).

sinS

i i i ii in n n n

n

ii in

i i y xin

d N d NE v aP dP dydP

n P P

Рис. 3.7.


25

Азимутальные корреляции прибольших P┴: концепция

1. Рассматриваются пары «триггерная частица +ассоциированная частица».2. Вычисляется =tr - a.3. Ожидается наблюдение корреляций при ≈ 0 – пик соответствует паре частиц, образован-ных при адронизации одного партона (частицы изодной струи), ≈ - пик соответствует паре частиц, образован-ных при адронизации разных партонов (частицы из2-х разных струй).

2tr

1 1( ) ( , )C d NN

Корреляционная функция по относительному азимутальному углу двух частиц:

Рис. 3.8.

x

y

Струя 1 - «out»

Струя2 – «in»

Рис. 3.9.

R


26

Экспериментальные результаты

Рис. 3.10.

- Пик в области = оказывается наи-более сильно подавлен относительно p+p вAu+Au при испускании триггерной части-цы вне плоскости реакции.

Впервые обнаружена зависимость по-терь энергии от пути, проходимого пар-тонами или продуктами их адронизациивнутри объема горячей сильновзаимо-действующей материи.

Определение:под томографией объема сильновзаимодействующей материи, образованной в результатестолкновения релятивистских тяжелых ядер, в настоящей работе подразумевается исследо-вание свойств данной материи на основе модификации потока частиц (струй).


27

Зависимость эффекта подавленияструй от начальной энергии

Ф=0, - «прямой» или «обратный» пик.

-Для SPS Ir = 0, (r=in, out) с учетом погреш-ностей. Это принципиально отличается от си-туации для (8в) при sNN = 200 ГэВ.- Iout увеличивается на большую величину, чем Iin (рис. в).

Таким образом, представленные результатыявляются указанием на образование вAu+Au нового состояния сильновзаимо-действующей материи, характеризуемого де-конфайнментом кварков и глюонов.

00.75

n-f2

0.75

I I I , r=in, out;

I ( )[ ( )] .

r r r

r rd C

Рис. 3.11.

- При энергии SPS зависимости подавленияструй от проходимого пути не наблюдается(рис. а, б).


28

Модель двухкомпонентногоанизотропного потока

Модель 2-компонентного потока:измеряемый эллиптический потокявляется суперпозицией двух (мяг-кой и жесткой) компонент.

Получены соответствующие обоб-щенные формулы для корреляци-онных функций, в том числе и для«струйной» томографии.

1,2

2 22 2 2 2

2

0( )0,

2 1 ( ) 1 2 cos(2 ) ,( )

2 ; ( ) ( ) 2 ;

exp( 2)( ) ( , ) , (0,1) , 0( ).2

hh

J

p p p s p h s hs h s h s h s h

i i i ii

dN NN f C Vd N

C N N N N CV N v N v N N v vxf AG G

Nsp = Ns(Ns-1) – число пар

мягких частиц,Nh

p = Nh2(1-1/NJ) – число пар

жестких частиц, не принад-лежащих одной паре проти-воположно направленныхструй.

Рис. 3.12.


29

Киральный магнитный эффектОпределение:Киральный магнитный эффект (КМЭ) – это асимметрия распределения электрически заря-женных частиц, возникающая вследствие взаимодействия кварков с топологически нетри-виальной конфигурацией вакуума КХД в присутствии внешнего магнитного поля.

э кмэ кмэ1, 1, in out 1, 1,чет.

[ ] , .K K K a a

- Показано, что в Cu+Cu и Au+Au при √sNN == 62.4 и 200 ГэВ возникает магнитное поле,напряженность которого достигает

~ 1015 Тл.

- Модели без учета КМЭ не описывают зави-симость асимметрии от центральности для пародноименно заряженных частиц.

- Модель КМЭ в простейшем аналитическомприближении разумно описывает зависимостькоррелятора от центральности при ≠ и даеткачественное согласие при = для Au+Auпри sNN = 62.4 и 200 ГэВ.

Рис. 3.13.


30

Асимметрии в КМЭОпределены абсолютная и относительная асимметрии распределения электрических зарядовотносительно плоскости реакции:

э э эa rA , A [ ]/[ ], .K K K

Рис. 3.14.

При КМЭ: 2 0 2 4 0 4a CS CS CS CSA [ ] [1 ( ) / 6( ) ], .B B BN eB T T

- Резкое уменьшение Aa при sNN < 20 ГэВ мо-жет быть обусловлено переходом в область до-минирования адронных состояний. - Поведение Aa(sNN) разумно согласуется с за-висимостью скорости диффузии числа Черна– Саймонса от √sNN.

Представленные результаты- указывают на обнаружение локального на-рушения P/CP симметрии сильного взаимо-действия и проявление сложной структурывакуума КХД;- косвенно подтверждают образование новогосостояния сильновзаимодействующей мате-рии при, по крайне мере, √sNN ≥ 39 ГэВ.


31

Корреляционная фемтоскопия: определения

21 2 1 2

2 1 2 in 2 1 2 2 1 21 2

( , )( , ) , ( , ) ( , ) 1.i

i i ii i

d p p dp dpC p p p p C p pd dp d dp

1 2

1 2 1 2

l o s

{ , } { , },

, ( ) 2,

{ , , }, { , }.

p p q K

q p p K p p

q q q q K k k

Определение:направление исследований в физике фундаментальных взаимодействий, изучающее корреляциипар частиц (как тождественных, так и нетождественных) с малыми относительными импульсамии / или скоростями называется корреляционной фемтоскопией.Корреляционная и кумулянтная корреляционная функции двух частиц типа i определяютсяследующим образом:

Рис. 3.15.

Рассматривается набор параметров области эмиссии

p1

p2

q

Rsi

de

R long

Rout

qo

qs

ql

53 3 1 s o l

3/ 2s o l

G {G } { , R , R , R , V},

V (2 ) R R R

ii

- объем источника.


32

Экспериментальные результатыВ данной работе изучалось отклонение формы корреляционного пика от гауссиана и рассмат-ривались следующие параметризации:

max

2 22,0 2,0 2,0 s,o,l

,2 2,0 23

s,o,l

(а) ( , ) (1 ) ( )[1 ], exp( R ).

(б) ( , ) (1 ) ( )[1 ] 1 ( R ) .!2

i ii

n i nn i inn

i

C q K P q q

kC q K P q H q

n

Рис. 3.16.

В параметризациях: - параметр хаотичности,P(q) – стандартная поправка на кулоновкое ВКСдля протяженного источника.

- Качество фита не зависит от порядка разложе-ния и лучше для параметризации (б).- Наблюдается отклонение от гауссовой формыдля V, особенно заметное при малых k.


33

Геометрия области эмиссии

Рис. 3.17.

- Гладкая единая зависимость от sNN длясимметричных и асимметричных ионныхстолкновений.- Существенное (в ~1.5 раза) увеличениеобъема при переходе от наибольшей энер-гии SPS к наибольшей энергии RHIC.

- Во всем рассматриваемом диапазонеэнергий не наблюдается значительноеувеличение Ro / Rs, предсказанное в ка-честве сигнала фазового перехода 1-города.

В работе, наряду со стандартными геометрическими параметрами области эмиссии, предло-жено использовать нормированные радиусы и объем, r0 = (1.25 0/05 ) фм:

n -1 n -1 1/ 3 3я я я 0 я яR R R , s,o,l; V VV R , V 4 R 3.i i i r A


34

4. Заключение


35

Личное участие соискателя

Работы, результаты которых изложены в диссертации, проводились соискателем самостоя-тельно и совместно с другими исследователями. Личный вклад соискателя заключается в- участии в выработке целей и постановке задач исследований, - участии в получении нового экспериментального материала, создании комплекса программфизического анализа и базы данных по коллективным характеристикам, - проведении численных и аналитических расчётов, анализе и обобщении полученных ре-зультатов, разработке феноменологических моделей, написании публикаций.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены лично соискателем,под его руководством и / или при его непосредственном участии:- основные результаты по коллективным переменным и фрактальным свойствам адронныхструй получены лично соискателем,- cравнение с данными SPS, модель 2-компонентного коллективного эллиптического потокадля ядро-ядерных столкновений предложены и разработаны лично соискателем,- определения асимметрий (абсолютной и относительной) распределения зарядов относи-тельно плоскости реакции в ядро-ядерных столкновениях, соответствующие энергетичес-кие зависимости предложены и получены лично соискателем,- нормированные геометрические параметры области эмиссии, соответствующие зависимос-ти от энергии предложены и получены лично соискателем.


36

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Новые результаты для струйной структуры события1.1. Оценка энергии, при которой в образовании мягких пионных струй начинают экспери-

ментально проявляться кварковые степени свободы, равная (2.8 0.6) ГэВ. 1.2. Оценка S(MZ) = 0.121 0.011 на основании зависимости среднего значения коллектив-

ной переменной траст от начальной энергии.1.3. Значения кластерной размерности мягких пионных струй в различных реакциях при

√s ~ 3–20 ГэВ. Обнаружение фрактало-подобных свойств у мягких струй пионов в от-дельных реакциях при промежуточных энергиях.

1.4. Зависимости средней температуры пионов в струях и кластерной размерности мягкихструй от начальной энергии.

2. Новые результаты для ядро-ядерных столкновений2.1. Обнаружение зависимости степени подавления струи от длины пути, проходимого час-

тицами струи в объеме горячей сильновзаимодействующей материи. Энергетическаязависимость интегральных параметров, характеризующих степень подавления струи.

2.2. Обнаружение асимметрии испускания электрических зарядов относительно плоскостиреакции в ядро-ядерных столкновениях при различных начальных энергиях. Энергети-ческие зависимости абсолютной и относительной асимметрии испускания электрическизаряженных частиц.

2.3. Обобщенные формулы для корреляционной функции по относительному азимутально-му углу.


37

Апробация работы

Материалы, изложенные в настоящей работе, были представлены в 34 докладах на- международных конференциях (PANIC 1999, ICHEP 2006, SPMP 2008), - всероссийской конференции («Университеты России – фундаментальные исследования.Физика элементарных частиц и атомного ядра» 2003 г.),- симпозиуме (ISMD 2002), - научных сессиях НИЯУМИФИ (1998, 1999, 2000, 2005, 2006, 2008 гг.), - научных сессиях-конференциях секции ядерной физики отделения физических наук Рос-сийской академии наук (1998, 2002, 2005, 2007, 2009, 2011–2013 гг.), - международных рабочих совещаниях (RNP 2005, IBS HEPP 2006), - рабочих и региональных совещаниях международного сотрудничества STAR (БНЛ 2003,НИЯУ МИФИ 2007, 2008, ОИЯИ 2003, 2009), - многочисленных семинарах (ГНЦ РФ ИТЭФ, ИЯИ РАН, НИИЯФМГУ, НИЯУМИФИ,Физический институт Гейдельбергского университета);

неоднократно включались в сборник «Основные научные достижения МИФИ».

Основные результаты диссертации опубликованы в 39 научных работах, использованы в 2учебных пособиях по РЯФ, ФВЭ и междисциплинарным исследованиям.


38

Спасибоза внимание!

Documents

Коллективныеэффектыи пространственно …lav01.sinp.msu.ru/~igor/seminar/VAOkorokov-13022014.pdf · В.А.Окороков 13.02.2014 1 Коллективныеэффектыи