Ядерно-физическое обоснование проведения измерений димюонного канала распада векторных мезонов в СВМ эксперименте тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Киселева, Анна Николаевна

• Киселева, Анна Николаевна
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Киселева, Анна Николаевна

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НАУЧНАЯ ПРОГРАММА СВМ ЭКСПЕРИМЕНТА.

1.1. Введение.

1.2. Исследование фазовой диаграммы КХД.

1.3. Чармоний.

1.4. Ядерные модификации легких векторных мезонов.

ГЛАВА 2. СВМ УСТАНОВКА.

2.1. Общие требования.

2.2. Основные детекторные системы.

2.3. Моделирование мюооных измерений.

2.3.1. Генераторы частиц.

2.3.2. Оптимизация адронного фильтра и концепция мюонной системы.

2.3.3. Сегментация мюонных слоев.

2.3.4. Мюонные детекторы.

2.3.5. Реконструкция события.

2.3.6. Результаты моделирования физических измерений.

2.3.7. Физические параметры восстановленных векторных мезонов.

2.3.8. Времяпролетные измерения.

2.3.9. J/\|/-триггер.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ядерно-физическое обоснование проведения измерений димюонного канала распада векторных мезонов в СВМ эксперименте»

Актуальность работы

Эксперимент СВМ - (The Compressed Baryonic Matter) по изучению плотной барионной материи является одним из основных в будущем проекте FAIR (The future Facility of Antiproton and Ion Research) по исследованию взаимодействий антипротонов и ионов в Дармштадте, Германия.

Цель СВМ эксперимента - исследование фазовой диаграммы сильно-взаимодействующей материи (фазовая диаграмма квантовой хромодинамики (КХД)) в области умеренных температур и высокой барионной плотности. Предусмотренная программа исследования включает изучение основных вопросов КХД, таких, как конфайнмент, восстановление киральной симметрии и уравнение состояния материи при высоких плотностях. Наиболее перспективными являются исследования, связанные с рождением

- векторных мезонов, распадающихся на дилептонные пары,

- странных и

- очарованных частиц.

Планируется выполнить всесторонние измерения характеристик адронов, электронов и фотонов, рожденных в столкновениях тяжелых ядер.

Цель диссертационной работы.

Цель работы - физическое обоснование проведения измерений димюон-ного канала распада векторных мезонов в СВМ проекте.

Научная новизна и практическая ценность работы.

При выполнении данной работы были получены следующие новые результаты:

1. Впервые обоснована возможность реализации мюонных измерений в рамках СВМ1 эксперимента, не нарушающая концепцию установки и позволяющая провести полный спектр измерений при удалении адронных фильтров.

2. Разработана оригинальная концепция мюонной системы, позволяющая проведение измерений при высокой интенсивности налетающих ядер (до 106 в сек.) и большой множественности вторичных частиц (до 1000 треков).

3. Показана возможность проведения измерений мюонного канала распада легких векторных мезонов и чармония при различных начальных энергиях в диапазоне 8-35 АГэВ (А - массовое число налетающих ядер).

4. Разработана концепция J/y-триггера для мюонных измерений в СВМ эксперименте.

Результаты исследований имеют большую практическую ценность: -на основе проведенных автором исследований мюонная система была введена в состав СВМ спектрометра, и в настоящее время разработка мюонной системы является приоритетным направлением для СВМ эксперимента; -начат комплекс работ по созданию и апробированию детекторов для мюонной системы с учетом требований, полученных на основе проведенных автором исследований;

-результаты исследований, проведенных автором, с использованием времяпро-летной методики привели к созданию проекта дополнительной времяпролет-ной системы (Time-of-Flight, TOF) в составе мюонного спектрометра;^ -результаты работы могут быть использованы на стадии физического обоснования и разработки других детектирующих систем в области ядерно-физических экспериментов, использующих мюонные измерения; -результаты работы используются в настоящее время в ПИЯФ им Б.П. Константинова, ОИЯИ, СПбГПУ, ИТЭФ, ГНЦ ИФВЭ, GSI.

Личный вклад автора

Положения, изложенные в разделе «новые результаты», пункты 1-4, предложены и разработаны лично автором.

Основные результаты.

1. Проведенное исследование убедительно доказывает возможность проведения измерений димюонного канала распада векторных мезонов в СВМ эксперименте.

2. Разработанная мюонная система позволяет проводить измерения мюо-нов для различных типов столкновений (например, р+С или Au+Au) при различных начальных энергиях (от 8 до 35 АГэВ) без каких-либо модификаций мюонной системы.

3. В результате исследования получены требования по координатному разрешению детекторов, на основе которых начата разработка детекторов для мюонной системы.

4. Результаты исследований с применением времяпролетной методики показали необходимость таких измерений и привели к созданию проекта по разработке детекторов, позволяющих проводить измерения времени пролета в мюонной системе.

5. В результате исследования показана возможность разработки простого, но эффективного триггера для измерений 1Л|/-мезона, позволяющего в более чем 2000 раз понизить количество регистрируемых периферийных столкновений при незначительном уменьшении эффективности восстановления J/\|/-мезона.

6. Главным результатом исследований, положенных в основу предложенной работы, стало включение мюонной системы как равноправной составной части СВМ спектрометра и решение о проведении независимых измерений димюонного канала распада векторных мезонов.

Основные выводы.

1. Мюонные измерения в диапазоне энергий FAIR (8-35 АГэВ) дают возможность наблюдения и изучения различных физических процессов, происходящих в сверхплотной материи.

2. Показана возможность наблюдения вероятного изменения массы частиц в результате процессов, происходящих в ядерной среде при высокоэнерге-тичных столкновениях.

3. В результате исследований показано, что разработанная концепция мюонной системы позволяет проводить подобные измерения, не меняя существенно СВМ установку в целом.

4. Простая сегментация детекторных слоев с учетом 5% загруженности детекторов дает хорошие результаты в сравнении с координатным разрешением детекторов в 100 цм.

5. Дополнительные измерения времени пролета и определение массы частиц позволят сократить число найденных фоновых треков, что может увеличить отношение сигнала к фону в 2 и более раз без значительного уменьшения эффективности восстановления векторных мезонов.

6. Показана возможность создания 1Л|/-триггера, позволяющего более чем в 2000 раз снизить интенсивность регистрируемых периферийных столкновений без существенного изменения эффективности восстановления 1Л|/-мезона.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, основывается на современных общепризнанных теоретических расчетах, выполненных на основе КХД, и различных теоретических моделях (см. например [3]). В процессе моделирования использованы реалистичные параметры детекторов, технологии которых доступны в настоящее время.

Положения, выносимые на защиту:

1. Концепция мюонной системы СВМ эксперимента.

2. Проект проведения измерений мюонного канала распада легких векторных мезонов и чармония при энергии налетающих ядер в диапазоне 8-35 АГэВ в СВМ эксперименте.

3. Методика по разработке мюонного триггера, позволяющая проведение измерений мюонного канала распада чармония при интенсивности налетающих ядер (до 10б в сек.).

Основные публикации и апробация работы.

По результатам выполненных исследований были опубликованы работы:

1. Baublis V., Khanzadeev A., Kiseleva A., Riabov Y., Samsonov V., Senger P., Zhalov M. J/ц/ detection via ц+ц- decay in CBM // GSI Scientific Report. -2004.-P. 19.

2. Kiseleva A., Vassiliev I., Baublis V., Gorbunov S., Kisel I. Vector meson detection via \x+\i- decay in CBM // GSI Scientific Report QCDCBM-report-2007-009.-2006.-P.65.

3. Kiseleva A., J/psi detection via ja+jj,- decay // Technical Status Report QCDCBM-report-2005-001. -2005. -P.363.

4. Senger P., Galatyuk Т., Kiseleva A., Kresan D. CBM at FAIR // PoS (CPOD2006). -2006. -P.018.

5. Senger P., Galatyuk Т., Kiseleva A;, Kresan D. The compressed baryonic matter experiment at FAIR // Acta Physica Hungarica A. -2006. -V.27. -P!413.

6. Kiseleva A., Dzhigadlo R., Gorbunov S., Kisel I., Vassiliev I. Vector meson detection via \i+\i- decays in CBM // GSI Scientific Report. -2006. -P. 14.

7. Киселева5 A. H. Моделирование измерений димюонного канала распада векторных мезонов в СВМ-эксперименте // Известия РАН. Серия физическая: -2008. -Т.72. -№ 6. -Стр.772.

8. Kiseleva A., Senger P., and Vassiliev I. Vector Meson Study for the CBM Experiment at FAIR/GSI // Physics of Particles and Nuclei No. 1. -2008. -V.39.-P.1084.

Апробация материалов.

Полученные результаты докладывались на: регулярных полугодовых отчетных сессиях СВМ проекта, начиная с октября 2004 года, рабочем совещании «Dimuon Physics in ion-ion Collisions at LHC» (Санкт-Петербург, 2005), «СВМ Dilepton Workshop» (Дармштадт, Германия, 2005), интернациональной школе по теоретической физике "Dense Matter In Heavy Ion Collisions and Astrophysics" (Дубна, Россия, 2006 и 2008), годовых заседаниях Немецкого Научного Общества (DPG 2006-2008), международной конференции «Ядро 2007» (Воронеж, 2007), «2nd CBM-India Collaboration Meeting» (Калькута, Индия, 2007), научной школе «30th Mazurian Lakes Conference» (Пьяски, Польша, 2007), «СВМ-India Muon Meeting» (Джаму Кашмир, Индия, 2008).

Содержание и объем диссертации.

Диссертация содержит 104 страницы, в том числе 42 рисунка и 6 таблиц. Библиография включает 46 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Киселева, Анна Николаевна

Основные выводы.

1. Мюонные измерения в диапазоне энергий FAIR (8-35 АГэВ) дают возможность наблюдения и изучения различных физических процессов, происходящих в сверхплотной материи.

2. Показана возможность наблюдения вероятного изменения массы частиц в результате процессов, происходящих в ядерной среде при высокоэнерге-тичных столкновениях.

3. В результате исследований показано, что разработанная концепция мюонной системы позволяет проводить подобные измерения, не меняя существенно СВМ1 установку в целом.

4. Простая сегментация детекторных слоев с учетом 5% загруженности детекторов дает хорошие результаты в сравнении с координатным разрешением детекторов в 100 |дм.

5. Дополнительные измерения времени пролета и определение массы частиц позволят сократить число найденных фоновых треков, что может увеличить отношение сигнала к фону в 2 и более раз без значительного уменьшения эффективности восстановления векторных мезонов.

6. Показана возможность создания ДУу-триггера, позволяющего более чем в 2000 раз снизить интенсивность регистрируемых периферийных столкновений без существенного изменения эффективности восстановления 1Л]/-мезона.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, основывается на современных общепризнанных теоретических расчетах, выполненных на основе КХД, и различных теоретических моделях (см. например [3]). В процессе моделирования использованы реалистичные параметры детекторов, технологии которых доступны в настоящее время.

В заключении хотела бы выразить глубокую признательность и благодарность моему научному руководителю Самсонову Владимиру Михайловичу за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.

Автор благодарит коллег по совместной работе Юрия Васильева за существенные консультации в области физики и эксперимента, Ивана Киселя и Сергея Горбунова за разработку концепции поиска треков в мюонной системе. г

И особо хочу поблагодарить моего руководителя в GSI - профессора Петера Зенгера за особое внимание к изучению возможности мюонных измерений и за всестороннюю поддержку в проведении исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Киселева, Анна Николаевна, 2009 год

1. Quark Matter 2004 // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. -2004. -V.30.-P.S633.

2. Weber F. Strangeness in neutron stars // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. -2001. -V.27. -P.465.

3. Wilczek F. QCD made simple // Physics Today. -2000. -V.53. -P.22.

4. Bjorken J.D. Highly relativistic nucleus-nucleus collisions: The central rapidity region // Physical Review Letters D. -1983. -V.27. -P. 140.

5. Karsch F. et al., Quark mass and flavour dependence of the QCD phase transition // Nuclear Physics B. -2001. -V.605. -P.579.

6. Fodor Z. and Katz S. D. Lattice determination of the critical point of QCD at finite T and i // JHEP. -2002. -V.03. -P.014.

7. Adler C. et al. STAR Collaboration. Disappearance of Back-To-Back High-pT Hadron Correlations in Central Au+Au Collisions at Vsnn=200 GeV // Physical Review Letters. -2003. -V.90 -P.082302.

8. Rapp R. Dileptons and Medium Effects in Heavy-Ion Collisions // Nuclear Physics A.-2007.-V.782 -P.275.

9. Matsui T. and Satz H. J/vj/ suppression by quark-gluon plasma formation'// Physics Letters B. -1986. -V.178. -P.416.

10. Mocsy A. and Petreczky P. Can quarkonia survive deconfinement? // Physics Review D. -2008. ~V.11. -P.014501.

11. Andronic A., Braun-Munzinger P., Redlich K., Stachel J., Statistical hadroniza-tion of charm: from FAIR to the LHC // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. -2008. -V.35. -P.104155.

12. Braun-Munzinger P., Redlich K., Stachel J. Particle Production in Heavy Ion Collisions // World Scientific. -2004. -P.491.

13. Braun-Munzinger P., Stachel J. Dynamics of Ultra-Relativistic Nuclear Collisions with Heavy Beams: An Experimental Overview // Nuclear Physics A. —1998. -V.638 -P.3.

14. Cleymans J. and Redlich K. Unified Description of Freeze-Out Parameters in Relativistic Heavy Ion Collisions // Physical Review Letters. -1998. -V.81. —P.5284.

15. Andronic A., Braun-Munzinger P., Stachel J. Hadron production in central nucleus-nucleus collisions at chemical freeze-out // Nuclear Physics A. —2006. -V.772.-P.167.

16. Fodor Z. and Katz S. D. Critical point of QCD at finite T and ji, lattice results for physical quark masses // JHEP. -2004. -V.04. -P.050.

17. Bravina L. V. et al. Local equilibrium in heavy ion collisions: Microscopic model versus statistical model analysis // Physics Review C. -1999. -V.60. —P.024904.

18. Karsch F. Recent lattice results on finite temperature and density QCD, part I // PoSCPOD07:026. -2007.

19. Fodor Z. Recent Result in QCD Thermodynamics from the Lattice // Po-SCPOD07:027. -2007.

20. Ivanov Yu. В., Russkikh V. N., Toneev V. D. Relativistic Heavy-Ion Collisions within 3-Fluid Hydrodynamics: Hadronic Scenario // Physical Review C. -2006. -V.73. -P.044904.

21. Klingl F. et al. Masses of J/\j/ and r)c in the Nuclear Medium: QCD Sum Rule Approach // Physical Review Letters. -1999. -V.82. -P.3396.

22. Blume C. Review of results from the NA49 Collaboration // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. -2005. -V.31. -P.S57.

23. Stocker H., et al. Nonequilibrium models of relativistic heavy-ion collisions // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. -2005. -V.31 -P.S929.

24. Cortese P. et al. (NA50). J/\|/ production and suppression at SPS energies // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. -2005. -V.31. -P.S809.

25. Arnaldi R. et al. (NA60). J/\|/ Production in Indium-Indium Collisions at 158 GeV/Nucleon // Physics Review Letters. -2007. -V.99. -P. 132302.

26. СВМ Theory Book будет опубликована в Springer "Lecture Notes in Physics" в 2009.

27. Heinz U. and Lee K. S. The p-peak in the dimuon spectrum as a clock for fireball lifetimes in relativistic nuclear collisions // Physics- Letters B. -1991. -V.259.-P.162.

28. Alvarez-Ruso L., Koch V. cp meson propagation in a hot hadronic gas //• Physical Review C. -2002. -V.65: -P.05490Г. ^

29. Schmidt C. J. CBM-XYTER: towards high count rate, data driven detector readout electronics for CBM and other FAIR experiments // QCDCBM-report-2008-019 -2008.-P.43.

30. Sauli F. GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. -1997. -V.386. -P.531.

31. Sauli F. From bubble chambers to electronic systems: 25 years of evolution in particle detectors at CERN (1979-2004) // Physics Reports -2004. -V.403-404. -P.471.

32. Sauli F. and Sharma A. Micro-pattern gaseous detectors // Annual Review of Nuclear and Particle Science -1999. -V.49 -P.341.

33. Alfonsi, M. et al. The Triple-GEM detector for the M1R1 muon station at LHCb, station at LHCb // Nuclear Science Symposium Conference Record. -2005. —V.2. -P.811.

34. Fruehwirth R. et al. Data Analysis Techniques for High-Energy Physics. Second Edition // Cambridge University Press. -2000.

35. Kalman R. E. A new approach to linear ltering and prediction problems // Transactions of the ASME. Series D, Journal of Basic Engineering. -1960. -V.82. ,-P.35. /

36. Au+Au collisions at 25 AGeV // CBM note CBM-Phys-note-2005-001. -2005. Ii