Исследования выходов нейтральных пионов в реакции Au +Au при энергии 200 ГэВ/нуклон 01. 04. 16 физика атомного ядра и элементарных частиц

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Общая характеристика работы. Содержание работы. Процедура идентификации кластера, профиль электромагнитного ливня, разделение перекрывающихся кластеров. Нахождение кластера. Определение максимума для кластера. Сравнения форм электромагнитного ливня кластера с расчётной формой Сравнение с порогом значения выбранного χ Профиль ливня в LeadGlass калориметре. Доверительный уровень. Перекрывающиеся кластеры. Относительная энергетическая калибровка модулей электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла. Энергетические спектры отдельных модулей и их наклоны. Поправка энерговыделения в индивидуальном модуле с учётом угла падения частицы. Поправка относительной калибровки. Калибровка временных каналов считывающей электроники для электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла. Коррекция задержки сигналов во временном канале электроники электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла. Третья глава В приложении Основные результаты работы.

Подобный материал:

• Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и радиационной обстановки, 318kb.
• Исследования деления ядер урана и плутония при низких энергиях возбуждения. 01. 04., 549.02kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика ядра, 32.88kb.
• Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами, 1409.46kb.
• Обнаружение эффекта подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами, 1409.48kb.
• Программа «физика ядра и элементарных частиц» по направлению подготовки 011200 «Физика», 24.54kb.
• Научно-исследовательская работа по направлениям, темам Физика элементарных частиц,, 1378.62kb.
• Программа дисциплины дпп. Ф. 02 «Основы теоретической физики. Физика атомного ядра, 222.48kb.
• Программа дисциплины сдм. Ф4 Ядерные реакции и реакторы для студентов специальности, 131.89kb.
• Литература 1 История открытий в области строения атомного ядра, 150.42kb.

На правах рукописи

НЯНИН Александр Станиславович


Исследования выходов нейтральных пионов в реакции

Au +Au при энергии 200 ГэВ/нуклон


01.04.16 – физика атомного ядра и элементарных частиц


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Российском научном центре

«Курчатовский Институт»


Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Фокин Сергей Леонидович


Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Григорьев Владислав Анатольевич

доктор физико-математических наук Тарасов Юрий Александрович


Ведущая организация – Институт Физики Высоких Энергий (г. Протвино)


Защита состоится « 28 » июня 2010 г.

в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 520.009.03 в Российском научном центре «Курчатовский институт» по адресу: Москва, 123182, пл. академика Курчатова, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».


Автореферат разослан « 24 » мая 2010 г.


Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук А.Л.Барабанов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.


Относительно новая область экспериментальной физики – релятивистская ядерная физика сформировалась в середине восьмидесятых годов ХХ века. И произошло это во многом благодаря развитию экспериментальной техники, предоставившей возможности ускорять ядра до очень высоких энергий, начиная с 3.6 ГэВ/нуклон (¹⁹ F, синхрофазотрон в г.Дубна, Россия)[1], 14.5 ГэВ/нуклон (¹⁹⁷Au, AGS, Брукхейвен, США), 158 ГэВ/нуклон (²⁰⁸Pb, SPS, ЦЕРН, Швейцария) и до рекордной на сегодняшний день энергии 200 ГэВ/нуклон (¹⁹⁷Au+Au, RHIC, Брукхейвен, США). Ядерные взаимодействия при максимально доступных на сегодняшний день энергиях, являются, вероятно, единственным способом получения в лабораторных условиях “макроскопических” сгустков нагретой ядерной материи при экстремальной плотности. Это даёт возможность экспериментаторам приблизиться к условиям, существовавшим в первые мгновения Вселенной после так наываемого «Большого Взрыва» и позволяет изучать уравнение состояния ядерного вещества в широком диапазоне температур и плотностей, при таких условиях возможен фазовый переход от адронной материи к новому состоянию вещества – кварк-глюонной плазме (КГП), предсказанный в теоретических работах [2, 3].

Нейтральные пионы, имеющие большие поперечные импульсы, в основном, рождаются в результате жёстких партон-партонных столкновений, которые происходят в начальной фазе ядро-ядерного столкновения. Выходы таких пионов сильно зависят от свойств той среды, через которую проходит партон, и измерения спектров нейтральных пионов дают возможность исследовать свойства сгустка, образующегося в ядро-ядерном столкновении [4]. Изучение свойств ⁰-мезонов, помимо самостоятельного интереса, необходимо для извлечения прямых фотонов, поскольку нейтральные мезоны являются основным комбинаторным фоном.

Исследование зависимостей выхода нейтральных пионов от поперечного импульса, степени центральности и сорта взаимодействующих частиц может позволить сделать выбор между различными видами уравнения состояния, между различными степенями термализации системы, а также ответить на вопрос о наличии или отсутствии фазового перехода в КГП.

На сегодняшний день - нахождение уравнения состояния ядерной материи и обнаружение её возможного фазового перехода в КГП стоят в ряду основных задач релятивистской ядерной физики. В представленной диссертационной работе получены инвариантные сечения выхода нейтральных пионов для ядро-ядерных соударений на встречных пучках ускорительного комплекса AGS-RHIC в реакции Au + Au при 200 ГэВ/нуклон.


Цель работы.


Основной целью данной диссертации являлось разработка методик измерений, измерение и исследование спектров нейтральных пионов с помощью электромагнитного калориметра LeadGlass, созданным в РНЦ “Курчатовский институт», в эксперименте PHENIX для реакции Au + Au с энергией в системе центра масс 200 ГэВ, в зависимости от степени центральности соударения и величины поперечного импульса.

Эксперимент проводился на релятивистском тяжелоионном коллайдере RHIC в Брукхейвенской Национальной Лаборатории [5].


Актуальность работы.


В настоящее время на самых высокоэнергетичных ускорителях мира: RHIC (Брукхейвен) и LHC (ЦЕРН) исследуются релятивистские ядро – ядерные взаимодействия, и это позволяет изучить уравнения состояния ядерной материи в условиях экстремально высоких температур и плотностей. Это уникальная возможность экспериментально исследовать переход в кварк-глюонную плазму, где по теоретическим предсказаниям, отдельные кварки могут находиться в свободном состоянии.

Согласно теоретическим предсказаниям, кварк-глюонная плазма через некоторое время после возникновения остывает и переходит в адронный газ, который затем распадается на адроны, где кварки уже находятся в связанном состоянии.


Научная новизна.


Впервые в мире на ускорительном комплексе RHIC на встречных пучках ионов золота, в рамках эксперимента PHENIX были получены инклюзивные спектры нейтральных пионов для энергии в системе центра масс равной 200 ГэВ/нуклон. Впервые были получены данные, свидетельствующие о подавлении выхода π⁰-мезонов для ядро-ядерных соударений с высокой степенью центральности. Обнаружение подавления выхода адронов, как нейтральных, так и заряженных (Jet quenching), позволило наложить серьезные ограничения на возможные модели эволюции горячей материи и оценить температуру нагретой области в центральных столкновениях


Конкретный личный вклад автора.


По теме диссертации в соавторстве опубликованы 5 работ.

Автор принимал участие в подготовке и проведении эксперимента PHENIX: в создании установки, настройке узлов, калибровке детектора, принимал участие в измерительных сеансах и обработке полученных данных.

Автором проведены исследования отклика электромагнитного калориметра на вторичных пучках синхротрона AGS, позволившие выработать параметры кластеризации, учитывающие энергитические и угловые завистмости.

Автором разработана и применена методика настройки оптимальных параметров считывющей электроники для эффективной работы детектора.

Автором написан пакет программ, с помощью которго проводилась поправка энерговыделения в индивидуальном модуле с учётом угла падения частицы.

Автором была проведена энергитическая и временная калибровка каналов электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла.

Автором были получены инвариантные сечения выходов π⁰-мезонов в ультрарелятивистских соударениях Au +Au.


Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах, список которых приведён в конце автореферата.


Положения, выносимые на защиту:

• Методика калибровки электромагнитного калориметра.
  
  • Калибровка энергетических и временных каналов.
    
  • Выбор оптимальных параметров считывющей электроники для эффективной работы детектора.
    
  • Методика учёта и корректировки времязависимых коэффициентов усиления.
    
  • Определение эффективности регистрации, аксептанса и других поправочных коэффициентов для получения выхода π⁰-мезонов.
    
• Разработка методов определения кластера (совокупности соседних детекторов калориметра, в которых происходит выделение энергии при попадании частицы).
  
• Исследования и учёт поправок, вносимых в получаемые значения выходов нейтральных пионов статистическими и систематическими погрешностями измерений.
  
• Получение инвариантных сечений выхода π⁰-мезонов в ультрарелятивистских соударениях Au +Au при = 200 ГэВ.
  

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и приложения. Диссертация содержит 124 страницы текста, в том числе 33 таблицы и 78 рисунков. Список использованной литературы содержит 62 наименования.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.


Во введении рассказывается о фундаментальных задачах современной релятивистской ядерной физики: воспроизведении в лаборатории условий ранней Вселенной, путём создания сгустков высоковозбуждённой ядерной материи, изучении уравнения состояния, степени термализации этих сгустков и возможного перехода в кварк-глюонную плазму (КГП). Рассматриваются экспериментальные сигналы-признаки, указывающие на возможность существования такой формы ядерного вещества, как кварк-глюонная плазма. Кратко сформулирована цель работы.

В первой главе описывается установка эксперимента PHENIX (рисунок 1), её подсистемы, их устройство и назначение и приводятся основные характеристики детекторов, использующихся эксперименте. Кратко описываются подсистемы, которые были использованы для формирования триггерных сигналов произошедшего события и выработки триггера minimum bias. Для определения степени центральности события использовались Калориметр Нулевого Угла (ZDC) и Пучковый Детектор (BBC)

Рисунок.1 Схема эксперимента PHENIX

Трекинг заряженных частиц в центральном плече проводился с использованием дрейфовых камер, падовых камер и время-проэкционных камер. Дрейфовые камеры обеспечивали прецизионное детектирование траекторий частиц для измерения их поперечного импульса. Идентификацию частиц осуществляли времяпролётная подсистема и кольцевой черенковский детектор.

Гамма-кванты регистрировались электромагнитными калориметрами. В эксперименте использовались два типа калориметров. Один, на основе свинцовых и сцинтилляционных пластин, другой, состоящий из 9216 спектрометрических каналов на базе свинцового стекла – LeadGlass, регистрирующего черенковское излучение и перекрывающим область псевдобыстрот -0,45 < η < 0,45.


Во второй главе описана структура электромагнитного калориметра, мониторинговая система, считывающая и управляющая электроника, специально созданная под этот эксперимент. Приводятся процедуды и методики работы детектора с различными коэффициентами усиления электроники. Контроль и коррекция времязависимых коэффициентов усиления.

В ходе подготовки калориметра к работе на RHIC в составе PHENIX, были задействованы выведенные электронные пучки ускорителя AGS.

Одной из решаемых в ходе работы задач, было получение отклика калориметра на частицы, падающие под отличным от нормали углом к детектору.

Рисунок 2. Энергетические спекрты электронов с энергией Е = 500 МэВ/с, попавшие в область: а) 20х20 мм от центра модуля; б) 30х30мм от центра модуля; в) область, соответствующая зазору между модулями

Представлял интерес и вопрос, как влияют технологические зазоры между модулями, внутри и между супермодулями, на энергетическое и пространственное разрешение детектора [6,7]. Сборка позиционировалась под углами 0⁰ ÷ 20⁰, для пучков электронов в диапазоне энергиий до 10 ГэВ/с. На рисунке 2 видно, что для низкоэнергетичных частиц влияние физического зазора между супермодулями не существенно для учета потерь энергии электромагнитного ливня. Были исследованы зависимости величины измеренной энергии от значения угла налетающих частиц. Была установлена зависимость пространственного разрешения сборки 5х5 модулей от величины угла падения налетающей частицы. Результаты проведённых исследований легли в основу методов определения кластеров и формы электромагнитного ливня для LeadGlass калориметра.


Процедура идентификации кластера, профиль электромагнитного ливня, разделение перекрывающихся кластеров.


В основном, алгоритм анализа кластерных событий для электромагнитного калориметра эксперимента PHENIX базировался на следующем:

Нахождение кластера. Кластером называется группа соприкасающихся (хотя бы одной гранью) между собой модулей детектора, если энергия каждого из модулей лежит выше установленного шумового порога измерительной электроники.

Определение максимума для кластера. Определение максимума кластера производится после разделения задействованных модулей калориметра в соответствии с положениями и амплитудами сигнала. Для групп модулей, соприкасающихся между собой, и имеющих более одного выраженного максимума, применялась процедура расщепления на составляющие кластеры и определялся максимум энерговыделения.

Сравнения форм электромагнитного ливня кластера с расчётной формой, основанной на полном энерговыделении с учётом угла падающей частицы. В качестве критерия был выбран χ² и процедура, описывающаяся в работе [8].

Сравнение с порогом значения выбранного χ². В случае если выбранный кластер проходит тест – дальнейший анализ не проводится, если нет, кандидат в кластеры отвергается для последующего расщепление на составляющие кластеры.

Профиль ливня в LeadGlass калориметре.


Для расчёта формы электромагнитного ливня использовался стандартный пакет программ GEANT 3.21[9]. Геометрические параметры сборки модели полностью соответствовали прототипу, участвовавшему в работе на AGS. Диапазон импульсов смоделированных электронов соответствовал 1 ÷ 10 ГэВ/с, а интервал исследуемых углов падения 0^о ÷ 20^о. Размытие по энергии, выделенной в модуле, соответствовало 10 МэВ шумовому эквиваленту, разыгранному по распределению Гаусса. Шумовой порог, использованный для анализа кластеров, соответствовал 30 МэВ.

	Рисунок 3 Результаты преобразования координат для частиц, падающих под углом, отличным от нормали.

В качестве оценки профиля электромагнитного ливня может быть использована зависимость энергии, выделившейся в модуле калориметра от расстояния между его центром и местом попадания налетающей частицы. Эту величину принято называть центром тяжести электромагнитного ливня (Center Of Gravity – COG). Результат применения преобразования коордитат с учётом COG для электронов с энергией 5 ГэВ/с представлен на рисунке 3, для случая  = 20^o и двух различных азимуталных углов  .


Доверительный уровень.

На практике более удобно использовать доверительный уровень (Confidence Level – CL()), чем , поскольку последнее распределяется по 2, а CL лежит в пределах от 0 до 1. Используя значение критерия CL, можно определить насколько много «реальных» частиц будет потеряно. Поэтому важно иметь это распределение максимально приближённым к идеальному, чтобы учесть все возможные комбинации для энергий и углов падения частиц.

В случае не перпендикулярного падения частиц, флуктуации протяжённости распространения ливня будут увеличивать энергетические флуктуации в модуле. Дополнительной коррекции на различные азимутальные углы , как показал анализ, не требуется в виду слабой зависимости.


Перекрывающиеся кластеры.

Вероятность идентифицировать кластер, образованный двумя перекрывающимися электромагнитными ливнями, показа на рисунке 4, как функция расстояния между точками взаимодействия частиц, вызвавших ливни.

Рисунок 4. Эффективность разделения перекрывающихся электромагнитных ливней.

Представлены два набора данных – 1+1 ГэВ/с и 5+5 ГэВ/с для частиц, падающих под углами 0^о, 10^о и 20^о. Рассматривались кластеры с более чем одним максимумом и (или) с CL<0,01. На рисунке хорошо видна зависимость разделения от энергии частиц. Для частиц, попавших в один модуль калориметра под углом 0^о и с энергией 1 ГэВ/с – это порядка 50% , а для 5 ГэВ/с – 60%. Для пар 5+5 ГэВ/с эффективность разделения становится близка к 100%, при расстоянии между частицами в 2,5 модуля и углах падения вплоть до 20^о. То же наблюдается для случая 1+1 ГэВ/с при углах 0^о и 10^о, в то время как для 20^о эффективность разделения несколько хуже.

В процессе работы калориметра, со временем, может изменяться напряжение питания фотоумножителей, могут изменяться и параметры самих фотоумножителей. Это обуславливает введение так называемых времязависимых калибровочных коэффициентов. Для вычисления значений этих коэффициентов используется система мониторинга супермодулей. Для вычисления времязависимых коэффициентов был написан ряд программ, работающих с файлами формата PRDF – Phenix Raw Data Format, позволяющих извлечь из набора экспериментальных данных события, соответствующие триггерному сигналу лавинного светодиода и определять отношение значений амплитуд сигналов, зарегистрированных ФЭУ, к значению амплитуды сигнала, зафиксированного PIN-фотодиодом.

Для всех рабочих отрезков, проведённых в экспериментальных сеансах PHENIX, были получены значения времязависимых коэффициентов. На рисунке 5 приведено распределение относительных отклонений времязависимых факторов, то есть разность величины времязависимого коэффициента для данного модуля в конкретном рабочем отрезке и усреднённого по всему рабочему периоду времязависимого фактора для данного модуля, поделённая на усреднённое значение. Из распределения видно, что времязависимые коэффициенты стабильны с точностью порядка 2%, это свидетельствует о высокой надёжности работы измерительной системы электромагнитного калориметра.

Рисунок 5. Отклонение значений положений сигналов с АЦП ФЭУ от среднего значения по всему рабочему интервалу времени.

Относительная энергетическая калибровка модулей электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла.


Калориметр, состоящий из 192 супермодулей, каждый из которых, в свою очередь является калориметром, уже был предварительно откалиброван. Калибровка электронным пучком позволила определить энергетический эквивалент светового импульса для каждого канала. Референсная система обеспечивала контроль и компенсацию дрейфа чувствительности ФЭУ и коэффициента усиления электроники. Но существует медленная деградация самого свинцового стекла и изменение спектральной чувствительности фотоумножителя. Такая деградация индивидуальна для каждого спектрометрического канала и её следует учитывать, чтобы не ухудшить разрешение спектров инвариантных масс пар фотонов. Проведение новой калибровки на пучке электронов, со сканированием каждого модуля, в силу ряда причин как конструкционных, так и финансовых оказалось невозможным.

Для вычисления поправки энергетической калибровки для индивидуального модуля, не используя тестовый пучок, был разработан и применён метод, опиравшийся на единообразие экспериментальных спектров фотонов во всех модулях калориметра.


Энергетические спектры отдельных модулей и их наклоны.


Был проведён анализ измеренных энергетических спектров для соударений Au+Au. В некотором фиксированном диапазоне энергий энергетические спектры могут быть с хорошей точностью апроксимированы экспонентой, что позволит количественно сравнивать подобные спектры. Диапазон для каждого модуля калориметра выбирался автоматически между точками, в которых спектр достигал определённой процентной доли своего максимума (1,5 ·10^-3 и 0,5·10^-4 соответственно). Ограничение по высокоэнергетической части диапазона накладывала статистика из-за необходимости наличия отсчётов в каждом канале рассматриваемого диапазона. Ввиду большого количества каналов электромагнитного калориметра процедура была полностью автоматизирована. Отсутствие визуального контроля потребовало введения дополнительных проверок на выбранные значения границ диапазона и число каналов, в соответствии с которыми проводилось описание экспонентой, число отсчётов в этих каналах, оценка значения χ² подгонки и величины наклона спектра.


Поправка энерговыделения в индивидуальном модуле с учётом угла падения частицы.


Геометрия эксперимента такова, что частицы попадали в электромагнитный калориметр под разными углами – от 0^о до 23^о.

Было установлено, что среднее энерговыделение в каждом модуле на периферии для обоих секторов существенно меньше, чем в центральной части. Это объясняется различными углами падения фотонов к нормали модулей и должно быть учтено при сравнении энергетических спектров для модулей, имеющих различное угловое положение относительно точки взаимодействия.

Зависимость наклона спектра поперечного импульса p_T от угла падения частицы показана на рисунке 6.

E corr = E (0,9629 + 0,1564 e-1.109E)
Рисунок 6. Угловая зависимость наклона энергетических спектров от угла падения частиц.

Используя значения показателей экспонент, полученных при обработке энергетических спектров, была определена зависимость усреднённого наклона спектра относительно угла падения частиц. Затем были повторно накоплены энергетические спектры для каждого модуля. Угловая поправка для энергии рассчитана как ξ_angular = ^F(0)∕_F(θ) , где θ – угол между нормалью модуля и направлением на точку взаимодействия. Влияние угловой коррекции можно увидеть на рисунке 7.

а) б)

Рисунок 7. Зависимость усреднённого наклона спектра относительно угла падения частиц: а) без применения, б) после применением коррекции.

Угловая коррекция значительно уменьшает ассимметрию распределения наклонов спектров, а также снижает разброс наклонов спектров, как это видно на рисунке 8.

а) б)

Рисунок 8. Распределения наклонов энергетичекских спектров: а) до и б) после корректирующей итерации.

Поправка относительной калибровки.


Положение центра распределения наклонов энергетических спектров даёт такое значение наклона, которое можно принять как «правильное». Введение дополнительной поправки, вычисляемой как отношение измеренного показателя наклона в конкретном модуле к «правильному», позволит учесть изменение параметров отдельных модулей. Наличие большого количества модулей требует автоматизации процесса коррекции, а отсутствие визуального контроля и автоматическое определение диапазона работы функции обуславливает итерационный подход к решению этого вопроса. На рисунке 9 виден, результат после корректирующей итерации.

а) б)

Рисунок 9. а) до итерации, б) после корректирующей итерации.

Таким образом, достигается относительная калибровка модулей, которая обеспечивает хорошее энергетическое разрешение, но абсолютная энергетическая калибровка контролируется по положению восстановленного пика π⁰-мезонов и при необходимости поправляется введением единой для всех модулей калибровочной константы. Применение описанной методики относительной энергетической калибровки позволило обеспечить высокое энергетическое разрешение в спектрах инвариантных масс и определить выходы π⁰-мезонов.


Калибровка временных каналов считывающей электроники для электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла.


В качестве одного из критериев для отбора фотонных ливней использовалось время пролёта частиц, измеряемое электромагнитным калориметром. Для измерения времени пролёта использовался временной канал считывающей электроники – Time Amplitude Convertor (TAC).

Для калибровки временных каналов электромагнитного калориметра проводились специальные калибровочные измерения. Запуск измерительной системы осуществлялся от жёлтых светодиодов с постоянной амплитудой сигнала. В стартовый канал триггера вводились дополнительные временные задержки сигнала, осуществляемые посредством кабельных задержек с заранее известными временами задержек. В результате, для каждого измерительного канала были набраны спектры с дополнительными временами задержки соответственно: 0, 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56 и 64 наносекунд. При измерениях для каждого модуля отсеивались сигналы с большим отклонением от средней величины сигнала, дабы исключить случайные срабатывания и прочие подозрительные события. Отсеяно было порядка 10% событий по 5% с каждой стороны распределения. В предположении, что временная зависимость линейна, использовался метод наименьших квадратов для учёта отклонений от ожидаемой величины.

Рисунок 10 Спектр временных калибровочных констант по всем каналам спектрометра.

Из рисунка 10, на котором представлены временные константы для всех 9216 каналов, видно, что значение цены деления канала порядка 40 пикосекунд. В дополнение была проведена настройка временной задержки сигнала в зависимости от основного триггера первого уровня, который вырабатывал признак, на основании которого принимается решение о записи сигнала.


Коррекция задержки сигналов во временном канале электроники электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла.


Временные каналы считывающей электроники используют дискриминаторы с фиксированным порогом, поэтому существует зависимость между временем регистрации сигнала и его амплитудой. Для учёта и коррекции этого эффекта были использованы экспериментальные данные. Для каждого временного канала была построена двумерная гистограмма – рисунок 11, по абсциссе отложены значения амплитуды в каналах ADC, по ординате – значения амплитуды во временных каналах TAC.

Рисунок 11. Зависимость амплитуды от временного канала TAC.

При выполнении анализа событий для каждого кластера, который по форме удовлетворяет критериям отбора фотонных ливней, выбирался модуль с максимальным значением амплитуды. Для такого модуля значения амплитудного и временного каналов записывались в гистограмму.

После набора значительной статистики – порядка нескольких миллионов событий, каждая двумерная гистограмма разбивалась на соответствующие одномерные гистограммы. Таким образом, каждая одномерная гистограмма представляет собой распределение временного сигнала для конкретного значения амплитуды. Для устранения остаточного вклада адронных ливней, для которых время пролёта больше, чем для фотонов, значение временного сигнала при данном значении амплитуды принималось равным положению максимума одномерной гистограммы. Введение временной коррекции позволяет уточнить зависимость времени пролёта от регистрируемой амплитуды сигнала, а также компенсировать разницу пьедесталов ячеек памяти для временного канала считывающей электроники и учесть разницу в расстоянии от точки взаимодействия до поверхности любого модуля. Временное разрешение определения времени пролёта составило порядка 600 пикосекунд для фотонов с энергией превышающей 500 МэВ.


Третья глава посвящена спектрам нейтральных пионов. Описывается процедура определения инвариантных масс методом смешанных событий, выделение π⁰-событий по двухфотонной моде распада (π⁰ → γ + γ), нормировка комбинаторного спектра.

Рисунок 12. Распределение инвариантных масс для minimum bias и 1,5

На рисунке 12 приводится пример извлечения π⁰ для событий типа minimum bias и поперечным импульсом 1,5T≤2,0 ГэВ. Верхняя гистограмма показывает распределение инвариантных масс для реальных событий и комбинаторного фона. На центральной гистограмме показано отношение реального спектра к комбинаторному фону и параметризация с применением полиномиальной функции первой степени и полиномиальной функции первой степени плюс распределение Гаусса, а нижняя гистограмма показывает распределение инвариантных масс за вычетом фона.

Геометрический аксептанс рассчитывался при помощи метода Монте-Карло[10]. Использовался только геометрический аксептанс электромагнитного калориметра на основе свинцового стекла. Учёт неработающих и краевых модулей проводился при расчётах эффективности регистрации.

Рисунок 13. Геометрический аксептанс для двух секторов калориметра LeadGlass для π0→γ+γ и диапазона псевдобыстрот -0,45 < y < 0,45.

Аксептанс для двух секторов калориметра LeadGlass для π⁰ → γ + γ показан на рисунке 13.


Эффективность реконструкции π⁰-мезонов.


Эффективность реконструкции в данном анализе выполнена при помощи сгенерированных π⁰-мезонов, которые «смешивались» с реальными событиями.

Под эффективностью реконструкции понимается отношение числа восстановленных π⁰-мезонов, к числу π⁰-мезонов, подмешанных к реальным событиям для соответствующих поперечных импульсов. И для реальных, и для восстановленных сгенерированных частиц применялись идентичные критерии отбора. В ходе анализа учитывались различные варианты систематических ошибок, такие как область выделения пика, точность энергитической шкалы, пределы интегрирования, идентификация частиц, размытие по энергии и оценка эффективности аксептанса. Наличие двух независимых детектирующих систем калориметра PHENIX позволило уменьшить общую ошибку. На рисунке 14, в качестве примера, приведены данные, полученные с использованием обоих типов электромагнитных калориметров. Видно, что данные обеих систем хорошо согласуются.

Рисунок 14. Сравнение π0 спектров для minimum bias событий измеренных при помощи двух типов электромагнитных калориметров.

Далее рассматриваются полученные инвариантные спектры нейтральных пионов. На рисунке 15. представлены инвариантные спектры нейтральных пионов в области центральных быстрот как функция поперечного импульса для событий минимальной ионизации в реакции Au+Au при = 200 ГэВ

Рисунок 15. Инвариантные сечения выхода π0 в области центральных быстрот как функция поперечного импульса pT для событий minimum bias в реакции Au + Au при = 200 ГэВ.

Приводятся девять диапазонов центральности 0%÷10% наиболее центральные, 80%÷90% - периферические.

В качестве количественной оценки этого эффекта использовался коэффициент, называемый модификатор ядерного вещества:





Этот коэффициент служит сравнения реальных спектров адронов с предсказанием модели, в соответствии с которой, столкновения ядер (А+А) представляют собой сумму независимых столкновений отдельных нуклонов (N+N), то есть наличиствует бинарное масштабирование. Для каждого класса столкновений А+А определялось среднее количество неупругих столкновений N+N на событие coll>. Следовательно, при отсутствии влияния ядерного вещества (R=1), любое отклонение будет характеризовать процессы, связанные с коллективным поведением частиц. Рисунок 18 показывает зависимость модификатора ядерного вещества R_AA(p_T) для π⁰ в центральных и периферических столкновениях Au + Au при = 200 ГэВ.

Рисунок.18 Модификатор ядерного вещества RAA(pT) для π0 в центральных и периферических столкновениях Au + Au при = 200 ГэВ. Величины значений ошибок включают все экспериментальные ошибки для p + p и Au + Au столкновений. Неопределённость нуклон-нуклонных столкновений показана заштрихованной областью

В заключении кратко формулируются основные выводы.

Были измерены и исследованы спектры нейтральных пионов для реакции Au + Au с энергией в системе центра масс 200 ГэВ/нуклон в эксперименте PHENIX проведенном на тяжелоионном коллайдере RHIC в Брукхейвенской Национальной Лаборатории.

Анализ спектров нейтральных пионов для различных степеней центральности взаимодействия сталкивающихся частиц позволил обнаружить подавление выхода нейтральных пионов.

Возможным проявлением наличия кварк-глюонной плазмы является подавление выхода частиц с большим поперечным импульсом p_T в центральных соударениях Au + Au по сравнению с p + p реакцией (в пересчёте на нуклон) [11,12]. В случае, когда среда имеет высокую плотность цветового заряда, как это ожидается для КГП, партоны, взаимодействующие сильным способом, теряют энергию ещё до фрагментации, поскольку они также несут цветовой заряд. Этот процесс схож с энергетическими потерями заряженных частиц при прохождении ими вещества, и должен быть наблюдаем, как подавление выхода частиц с большим поперечным импульсом по сравнению с p + p реакцией. Так называемый эффект подавления струй (jet quenching) [13,14].


В приложении приведены таблицы по полностью скорректированным данным по инвариантным выходам π⁰-мезонов, как функции поперечного импульса, полученные по данным экспенимента PHENIX.

Основные результаты работы.

• Разработана методика получения инвариантных сечений выхода π⁰-мезонов в соударениях Au +Au при сверхвысоких энергиях ( = 200, 130, 65 ГэВ/нуклон и других).
  
• Разработаны методы определение кластера (совокупности соседних детекторов калориметра, в которых происходит выделение энергии при попадании частицы).
  
  • Проведены выборы параметров кластеризации с учётом угловых и энергетических зависимостей для геометрии эксперимента PHENIX.
    
  • Определены эффективности реконструкции, аксептанс и другие поправочные факторы, необходимые для получения выходов π⁰-мезонов.
    
• Разработана и применена методика калибровки электромагнитного калориметра.
  
  • Проведена калибровка энергетических и временных каналов.
    
  • Определены и установленны оптимальные параметры для считывающей электроники для максимально эффективной работы калориметра.
    
• Разработана и применена методика учёта и корректировки времязависимых коэффициентов усиления.
  
• Исследованы и учтены поправки, вносимые в получаемые значения выходов нейтральных пионов статистическими и систематическими погрешностями измерений.
  
• Были получены инвариантные сечения выходов π⁰-мезонов в реакции Au+Au на пучках RHIC с энергией в системе центра масс 200 ГэВ/нуклон.
  
• Обнаружено явление подавление выхода нейтральных пионов для соударений с высокой степенью центральности. Контрольные эксперименты d+Au, p+p подтвердили обнаруженный эффект и показали, что подавление адронов происходит только для ядро-ядерных столкновений с высокой степенью центральности и не наблюдается для реакций d+Au и p+p.
  

Список цитированной литературы.


[1] Балдин А.М. и др. ОИЯИ Р9-5442, Дубна, 1970

[2] P.Braun-Munzinger, et al., Phys.Lett, B344(1995) 43

[3] E.V.Shuryak, Phys. Rep. 61 (1980) 71.

[4] J.D.Bjorken, Phys.Rev. D 27 (1983) 140.

[5] PHENIX calorimeter, Nucl.Instrum.Meth.A499:521-536, 2003.

[6] S.Fokine, A. Nianine, «PbGl», tn185.0 1995-08-30

[7] S.Fokine, A. Nianine, «PBGL, EMCal», tn238.0 1996-01-11

[8] А.А.Леднёв, Препринт ИФВЭ 93-153, Протвино 1993.

[9] GEANT 3.21, CERN Program Library Long Writeup W5013

[10] N. Metropolis, S. Ulam The Monte Carlo Method, — J. Amer. statistical assoc. 1949 44 № 247 335—341

[11] K. Adcox, et al., «Suppression of hadrons with large transverse momentum in central Au+Au collisions at s(NN)**(1/2) = 130-GeV», Phys.Rev.Lett.88:022301, 2002.

[12] S. S. Adler, et al., «Suppressed π⁰ production at large transverse momentum in central Au+ Au collisions at S(NN)**1/2 = 200 GeV», Phys.Rev.Lett.91:072301, 2003.

[13] S. S. Adler, et al., «Absence of suppression in particle production at large transverse momentum in S(NN)**(1/2) = 200-GeV d + Au collisions», Phys.Rev.Lett.91:072303, 2003.

[14] K. Adcox, et al., «Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC: Experimental evaluation by the PHENIX collaboration», Nucl.Phys.A757:184-283


Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.Nyanin, et al., «PHENIX calorimeter», Nucl.Instrum.Meth.A499:521-536, 2003.
   
2. A.S.Nyanin, A.L.Lebedev, T.Awes, «Investigation of photon spectrometer prototypes properties», Препринт IAE-56-31/2 1994.
   
3. K. Adcox, … A.Nyanin, ... et al., «Suppression of hadrons with large transverse momentum in central Au+Au collisions at s(NN)**(1/2) = 130-GeV», Phys.Rev.Lett.88:022301, 2002.
   
4. S. S. Adler, … A.Nyanin, ... et al.,«Suppressed π⁰ production at large transverse momentum in central Au+ Au collisions at S(NN)**1/2 = 200 GeV», Phys.Rev.Lett.91:072301, 2003.
   
5. S. S. Adler, … A.Nyanin, ... et al.,«Absence of suppression in particle production at large transverse momentum in S(NN)**(1/2) = 200-GeV d + Au collisions», Phys.Rev.Lett.91:072303, 2003.