Построение квантовой хромодинамики (КХД) явилось поворотным пунктом в понимании природы сильного взаимодействия между элементарными частицами.
Введение
понятия кварков, нового квантового числа (цвета), существование хромодинамического поля (глюонные поля), формулировка принципиальных положений об асимптотической свободе на малых расстояниях и возникновения конфайнмента на больших расстояниях между кварками и глюонами получили полное научное признание и огромное число экспериментальных подтверждений. КХД стала фундаментальной теорией сильного взаимодействия. Вскоре на стыке нескольких областей физики — ядерной, физики, физики элементарных частиц, квантовой хромодинамики и в некоторой степени астрофизикистало развиваться новое направление: исследование КХД вещества при экстремальной температуре и плотности. Это направление привлекает все большее внимание экспериментаторов и теоретиков последние 30 лет. Действительно, КХД расчеты, проводимые на решетке, указывают на возможность фазового перехода при большой плотности энергии и высокой температуре из обычной ядерной материи в фазу конституентных кварков и глюонов в большом объёме взаимодействующих посредством обмена цветными зарядами. Предсказуемый интервал температуры для такого перехода находится в диапезоне 160−180 МэВ, а плотность энергии должна превышать 1 ГэВ/Фм3. Существуют так же полуфеноменологические оценки условий существования такого фазового перехода. Имеются предположения, что состояние материи из кварков и глюонов могло существовать в начальной стадии Большого Взрыва при образовании нашей вселенной, когда вещество было горячим и плотным.
Исследование свойств и динамики КХД вещества при экстремальных условиях затрагивает многие фундаментальные проблемы физики, такие как: природа конфайнмента и восстановление киральной симметрии, космология ранней вселенной, астрофизика компактных объектов. Помимо этого в ходе осмысления получаемых экспериментальных данных стал развиваться новый математический подход для расчетов сильного взаимодействия в рамках непертубативной КХД с большой константой связи. Этот подход основан на использовании дуальности между теорией калибровочных полей и суперструнными моделями (AdS/CFT duality).
С середины 70-х годов 20-го столетия начинается интенсивное экспериментальное и теоретическое исследования возможности образования вещества из слабо связанных кварков и глюонов в лабораторных условиях. Основным инструментом экспериментальных исследований стали ускоренные пучки тяжелях ядер и их столкновения с ядерными мишенями.
Важным этапом в физике ядер при релятивистских энергиях был запуск в 2000 году ускорителя на встречных пучках, Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, в Брукхевенской Национальной Лаборатории США. Он был разработан и построен преимущественно под программу столкновения ядер с массой вплоть до золота и энергией 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов.
Одним из наиболее важных результатов с RHIC явилось обнаружение подавления струй адронов в веществе, образованном при столкновении ядер. Было показано, что такое поглощение отсутствует в обычной ядерной материи и не является эффектом начального состояния. Этот и другие наблюдаемые эффекты (наличие большой азимутальной ассиметрии рожденных частиц, наблюдение скейлинга эллиптического потока по числу конституентных кварков, сильное подавление при больших поперечных импульсах частиц с тяжелыми кварками и другие явлениия) по-прежнему бурно обсуждаются в свете скорого запуска Большого Адронного Коллайдера в CERN.
Данная работа посвящена изучению одного из указанных явлений: обнаружению эффекта подавления заряженных адронов с большими поперечными импульсами.
1.2. Цель и методы исследования.
Основными задачами данной работы являются:
1. Разработка и создание экспериментальной установки для исследования свойств вещества, образованного при столкновении релятивистских ядер с энергией л/sñ-ñ- = 200 ГэВ в системе центра масс двух нуклонов на ускорительном комплексе RHIC в БНЛ, США.
2. Исследование процессов рождения заряженных адронов с большими поперечными импульсами втлоть до 10 ГэВ/с в условиях образования ядерной среды с большой плотностью энергии и температуры для комбинаций сталкивающихся ядер Au + Au в зависимости от центральности. Определение свойств образующейся материи.
3. Проведение базисных (нормировочных) измерений выходов заряженных адронов для системы d+Au в условиях обычной ядерной плотности и для протон-протонных соударений при той же энергии пучка в идентичных условиях проведения эксперимента.
4. Сопоставление экспериментальных данных по заряженным адронам с результатами аналогичных измерений для идентифицированных адронов, где это возможно с целью получения дополнительной информации о свойствах образующейся среды.
Ускорительный комплекс RHIC был создан в первую очередь для исследования столкновений релятивистских ядер с энергией s/^nn = 200 ГэВ. До начала работы Большого Адронного Коллайдера, LHC, в CERN, RHIC является уникальным инструментом для исследования ядро-ядерных соударений при максимально достижимой на настоящий момент энергии. Возможность ускорения пучков протонов и дейтронов позволяет с минимальными систематическими ошибками сопоставить экспериментальные результаты для соударений нуклон-нуклон и ядро-ядро.
Установка PHENIX является одной из четырех установок, созданных на встречных пучках RHIC. PHENIX состоит из центрального спектрометра и двух мюонных спектрометров. В данной работе используется центральный спектрометр, который был разработан и создан для исследования рождения частиц в центральной области быстрот. Его основными элементами являются: магнит с аксиально симметричным полем в направлении сталкивающихся пучков, трековая система заряженных частиц, электромагнитный калориметр на основе комбинации свинцовых пластин и сцинтилляторов, калориметр из свинцового стекла, газовый детектор излучения Вавилова-Черенкова, время-пролетной системы и комплекса детекторов для определения общих и глобальных параметров столкновения.
Уникальными особенностями данного спектрометра являются: а) надежная идентификация треков заряженных частиц в условиях большой множественности частиц в центральных столкновенияхб) отсутствие вещества в центральной части спектрометра для избежания многократного рассеяния и нежелательных вторичных взаимодействийв) высокоточное определение центральности столкновения двух ядер по детекторам множественности, расположенных под большими быстротамиг) возможность проведения мечения взаимодействующего нуклона из ядра дейтрона при измерении комбинации d + Auд) возможность комплексного исследования реакций посредством одновременного измерения разных типов частиц в идентичных экспериментальных условиях.
Созданная установка позволила устранить или корректно учесть все возможные фоны при изучении процессов рождения заряженных адронов при поперечных импульсах (рт) до 10 ГэВ/с. Посредством детекторов множественности и калориметров нейтронов спектаторов удалось разделить события по центральности взаимодействия и величине прицельного параметра столкновений ядер золота по золоту.
Проведены измерения в столкновениях р+р и йЛ-Аи при той же энергии в системе центра масс как и для Аи + Аи соударений. Данные по измерению столкновений малонуклонных систем явились отправной базой для сопоставления с результатами для комбинации Аи+Аи. Использование передних калориметров под нулевыми углами для реакции ¿-+Аи обеспечили уникальную возможность сопоставления реакций нейтрон-ядро и протон-ядро при энергии = 200 ГэВ.
Экспериментальные данные по выходам заряженных адронов были сравнены с результатами измерений для нейтральных 7г—мезонов и прямых фотонов. Были получены дополнительные экспериментальные подтверждения наличия эффектов подавления выходов адронов с большими поперечными импульсами и справедливости бинарного скейлинга для жестких процессов.
1.3. Научная новизна работы.
Работа автора по созданию и эксплуатации установки и проведение обработки экспериментальных данных позволила впервые обнаружить эффект подавления выходов заряженных адронов с большими поперечными импульсами в столкновениях Аи + Аи при релятивистских энергиях. В дополнение к другим данным по подавлению выходов нейтральных пионов и идентифицированных адронов в той же реакции данный эффект подавления является одним из самых значимых результатов, полученных на ГШ 1С. Этот результат служит прямым указанием на образование в ядро-ядерных соударениях вещества, существенно отличающегося от обычной ядерной материи. Зона взаимодействия двух релятивистких ядер служит сильным поглотителем быстрых партонов, приводя к фактору подавления порядка пятерки.
Выполнены новые измерения сечений рождениях заряженных адронов в зависимости от центральности Аи + Аи соударений и получена зависимость фактора подавления быстрых партонов от числа нуклонов участников. Решающим фактором, позволившим провести измерения спектров адронов с верхней границей по поперечному импульсу до 10 ГэВ/с, явилось изучение источников фонов, а так же разработка методов их подавления. На основании изучения формы спектров получено указание, что для всех центральностей при больших импульсах рождение адронов происходит посредством жестких партон-партонных столкновений.
Впервые выполнены измерения реакций р+р и й + Аи при энергии л/ё~мй =.
200 ГэВ. Показано, что спектры энергичных заряженных адронов в р + р столкновениях хорошо описываются в рамках пертубативной КХД. Это служит надежным указанием на правильность используемых предположений при описании жестких процессов.
Отсутствие подавления выходов адронов в системе (1 + Аи, где образование плотной и горячей ядерной материи не ожидается, явилось поворотным моментом в интерпретации данных по Аи + Аи. Результаты, полученные для системы (I + Аи, подтвердили, что наблюдаемое подавление в столкновениях золото по золоту не является эффектом начального состояния взаимодействующих нуклонов ядер.
Впервые изучен эффект усиления выходов адронов (так называемый эффект Кронина) в нуклон-ядерных и дейтрон-ядерных столкновениях при энергии = 200 ГэВ.
Оказалось, что вопреки ожиданиям эффект не исчезает с увеличением энергии пучка. Впервые исследовано поведение амплитуды эффекта от среднего числа последовательных нуклон-нуклонных соударений (и), испытываемых нуклоном дейтерия. Было получено, что амплитуда эффекта Кронина не увеличивается линейно с г/, а быстро насыщается за одно-два дополнительные столкновения нуклона.
Впервые с использованием метода мечения протона спектатора из ядра дейтерия в (I + Аи столкновениях измерена реакция п + Аи с участием нейтрона при энергии 200 ГэВ. Отсутствие пучков нейтронов таких энергий делает эти измерения уникальными. Оказалось, что процессы рождения частиц в р + Аи и п + Аи в центральной области быстрот в пределах экспериментальных ошибок идентичны при высоких энергиях, различия в зарядах или изоспине не проявляются. Полученный результат был ожидаем, однако его экспериментальное измерение является важным фактом для подтверждения правильности описания соударений с участием ионов золота, в ядре которого число нейтронов в полтора раза больше числа протонов.
Сформулирован новый подход к описанию величины эффекта подавления быстрых партонов. Многие экспериментальные данные объяснены в предположении наличия конечного слоя ядерного вещества, который не поглощает быстрые партоны. Этот слой образует прозрачную корону в начальный момент взаимодействия. На периферии зоны соударений толщина слоя должна быть порядка 2−3 Фм. На уровне гипотезы предлагается физическая интерпретация этого слоя, как возможное проявление конечного времени формирования среды. Ближе к центру зоны взаимодействия это время, скорее всего, гораздо меньше, однако сейчас трудно дать его численную оценку. В предлагаемом подходе удается успешно описать зависимость подавления выходов адронов от числа нуклонов участников, от ориентации рожденной частицы относительно плоскости реакции. Наличие существенной азимутальной ассиметрии в рождении частиц с большими импульсами объясняется геометрией столкновения ядер. Даны численные оценки другим наблюдаемым эффектам.
1.4. Научная и практическая ценность работы.
Обнаружение эффекта подавления адронов с большими поперечными импульсами в ядро-ядерных столкновениях и отсутствие такого подавления в р + р и d + Au соударениях указывают на возникновение ядерной среды со свойствами существенно отличающимися от свойств обычной ядерной материи. Результаты других измерений, где наблюдается наличие большого эллипического и радиального потока в спектрах частиц, подавление тяжелых кварков с очарованием и многие другие результаты указывают на наличие сильного взаимодействия между конституентами возникающей среды.
Результаты явились надежным критерием в оценке существующих теоретических моделей.
Полученные результаты стимулировали развитие новых теоретических направлений по описанию свойств ядерного вещества с большой плотностью энергии и высокой температуры. Помимо существовавших ранее расчетов в рамках пертубативной квантовой хромодинамики и вычислениях на решетке результаты с RHIC о наблюдении подавления быстрых партонов послужили толчком к возникновению новых методов описания сильно взаимодействующей КХД-среды в рамках дуальности между моделями суперструн в пятимерном пространстве анти-ДеСиттера и теорией конфомных полей (AdS/CFT duality).
Важную практическую ценность полученные результаты представляют для проведения предварительных оценок в рождении адронов, интенсивности и загрузок детекторов для нового комплекса Большого Адронного Коллайдера (LHC) в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN).
1.5. Вклад автора диссертации.
В физических результатах по исследованию выходов заряженных адронов при больших поперечных импульсах, в работах, которые были опубликованы по теме диссертации, вклад автора является определяющим.
Автор внес решающий вклад в разработку и изготовление высоковольтной системы, системы охлаждения электроники и помехоустойчивому выводу сигналов для дрейфовых камер цетрального спектрометра PHENIX. Будучи на протяжении семи лет ответственным экспертом по эксплуатации дрейфовых камер во время проведения физических измерений, а так же членом Координационного Совета по Детекторам эксперимента PHENIX, автор внес существенный вклад в обеспечение успешной работы трековой системы установки.
Автор внес существенный вклад в разработку регистрирующей электроники.
Вклад автора является определяющим в исследовании и оценке влияния фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах в реакциях Аи+Аи, d+Au и р+р.
Автор внес существенный вклад в исследование систематических ошибок в измерениях спектров для Au + Au и d + Au столкновений.
Вклад автора был определяющим в анализе экспериментальных данных с использованием мечения нуклонов в реакции d + Au.
Формулировка гипотезы о возможном существенном влиянии конечного времени формирования ядерной среды в Au + Au столкновениях и описание экспериментальных данных в рамках предложенного подхода сделаны исключительно автором.
1.6. Положения, выносимые на защиту.
1. Разработана и создана аппаратная инфраструктура дрейфовых камер для центрального спектрометра установки: схема и метод вывода 12 тысяч сигналов из герметичного объема камер, высоковольтная система, системы охлаждения и магнитной защиты электроники. Центральный спектрометр установки PHENIX позволил проводить трекинг заряженных частиц и измерение импульса в условиях большой множественности, до 700 треков на одно плечо спектрометра в центральной области быстрот г) = ±0, 35. Технической особенностью спектрометра является надежная помехоустойчивая работа детекторов и электроники в условиях сильной компактности расположения составных частей.
2. Измерены выходы заряженных адронов с поперечным импульсом до 10 ГэВ/с в реакциях Au + Au, d + Au и р + р. Характерной особенностью измерений явилось успешное преодоление проблемы фонов при больших импульсах. Основными источниками фонов в условиях эксперимента оказались распады каонов и конверсия фотонов на веществе. Разработаны методы их оценки и способы вычитания.
3. Обнаружен эффект подавления заряженных адронов с большими поперечными импульсами в центральных Аи + Аи столкновениях при энергии y/sNN = 200 ГэВ и 130 ГэВ. Был введен ядерный модификационный фактор Raa на освании которого получен фактор подавления порядка пяти в самых центральных соударениях {Raa ~0,2). Этот результат наряду с измерениями идентифицированных частиц является одним из наиболее значимых подтверждений об образовании плотного ядерного вещества со свойствами отличными от свойств ядерной материи в обычных ядрах.
4. Измерены спектры заряженных адронов в рf р столкновениях, которые показали, что спектры описываются теоретическими расчетами в пертубативной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в общем понимании процессов рождения частиц с большими поперечными импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях.
5. Дано сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами. На основании, этого получены оценки на плотность глюонов (dNg/drj = 1000) в центральной области быстрот и степень потери энергии быстрым партоном в образованной среде (до dEJdx та 14 ГэВ/Фм). Отмечено расхождение в теоретических подходах.
6. Измерены выходы заряженных адронов в d + Au столкновениях. На основании этих измерений было подтверждено, что эффект подавления в центральных Аи + Аи не является эффектом начального состояния, а связан со взаимодействием в образованной плотной среде.
7. Измерены реакции р + Аи и п + Аи с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при энергии (л/snn — 200 ГэВ) является уникальным.
8. Предложена гипотеза о конечном времени формирования среды. Сущетвенное подавление быстрых партонов происходит с запаздыванием, которое на периферии области взаимодействия ядер составляет порядка 2−3 Фм/с. В рамках модели описаны многие наблюдаемые параметры для описания рождения частиц с большими импульсами: поведение фактора Raa> параметр азимутальной ассиметрии v2, фактор подавление противоположной по азимуту струи Iaa.
1.7. Апробация работы и публикации.
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались автором на многих международрых и отечественных конференциях, совещаниях и семинарах: Международные конференции Quark Matter, Шанхай, 2006; 40-th Recontres de Moriond, QCD and high energy hadronic interactions, Италия 2005; The 22nd Winter Workshop on Nuclear Dynamics, La Joila, California, USA, 2006; Международное рабочее совещание по Релятивистской Ядерной Физике, Варна, 2001, Рабочее совещание Relativistic Nuclear Physics, Киев, 2007, Ежегодное совещание Отделения Физики РАН, ИТЭФ, 2007 и др. Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 15 работ, включая 10 статей в рецензируемых журналах.
1.8. Структура диссертации.
Диссертация состоит из Введения (Глава 1), шести глав и Заключения (Глава 8). Объем диссертации составляет 153 страницы, включая 114 рисунков и 10 таблиц.
Список литературы
включает в себя 113 наименований.
В заключение сформулируем основные результаты и выводы.
Создана установка, позволяющая проводить измерения выходов заряженных частиц в событиях с большой множественностью в ядро-ядерных столкновениях на RHIC. Центральный спектрометр установки PHENIX состоит из магнита с аксиально симметричным полем, трековой системы из дрейфовых камер с цилиндрической геометрией, газовых детекторов излучения Черенкова/Вавилова для идентификации электронов, время-пролетной системы, электромагнитных калориметров и набора детекторов для оцентки центральности и измерения глобальных: характеристик ядро-ядерных соударений. Трековая система центрального спектрометра эксперимента PHENIX обеспечила надежное измерение импульсов заряженных адронов вплоть до 10 ГэВ/с. Разбивка событий по классам центральности столкновений явилась важным критерием для оценки числа провзаимодействовавших нуклонов ядер.
Проведено исследование причин возникновения физических фонов в спектрах заряженных адронов при больших поперечных импульсах. Фон имеет два источника в силу геометрии расположения детекторов и конфигурации магнитного поля в центральном спектометре установки. Это распады короткоживущих адронов и конверсия фотонов на веществе перед детекторами. Механизм возникновения фона следующий: определение импульса частицы на установке производится по степени отклонения трека от радиального направления. С достаточно хорошей точностью импульс частицы может быть оценен как р = const/а, где о: есть угол отклонения трека от радиального направления. Продукты распада короткоживущих адронов с небольшими импульсами могут существенно отклониться от первоначального направления родительской частицы и будут восстановлены с неправильным импульсом. Поскольку спектр рожденных частиц быстро падает с увеличением импульса, распадные частицы в наибольшей степени искажают спектр в области больших импульсов. Было показано сначала аналитически, а затем и посредством полного Монте Карло моделирования установки, что доминирующий вклад от распадов адронов вносят заряженные и нейтральные каоны, несмотря на их малый (в 5−10 раз, чем для пионов) выход. Это обусловлено большим передаваемым импульсом р,—мезону при распаде каона.
Электроны от конверсии гамма квантов летят преимущественно в направлении первичного фотона. Если в зоне конверсии магнитное поле мало, то электроны и позитроны конверсии полетят по направлению близкому к направлению по радиусу. Тем самым они имитируют треки с большим импульсом.
Были разработаны и применены на практике способы и методы подавления фонов. В первую очередь осуществлялась точная «сшивка» треков во всех трековых детекторах. Это позволяло устранить фоны при малых и средних импульсах. Для импульсов выше 5 ГэВ/с был использован метод статистического вычитания фонов.
Отдельное внимание было уделено введению необходимых поправок и учету систематических ошибок измерения. Во всем интервале импульсов доминирующей систематической ошибкой является погрешность в оценке вычитаемого фона. Она составляет около 5% при импульсе менее 5 ГэВ/с, но увеличивается до 30% при 10 ГэВ/с .
В результате были получены надежные экспериментальные данные по инвариантным выходам заряженных адронов на одно столкновение для разных центральностей в реакциях Аи + Аи при энергии пучков в системе центра масс сталкивающихся нуклонов ^/¿-Гдгдг = 200 ГэВ и 130 ГэВ и для комбинаций d + Аи, р + р при ^/sNN — 200 ГэВ. В реакции d + Аи при использовании метода мечения нуклона спектатора из ядря дейтерия удалось отдельно проанализировать столкновения типа р + Аи и п + Аи. Измерения для последней реакции с участием нейтрона являются единственными проведенными при такой высокой энергии.
На основинии исследования формы спектров рожденных адронов был сделан вывод, что при импульсах рт >4−5 ГэВ/с форма спектра не зависит от центральности. Это указывает на преобладание жестких процессов в рождении частиц. В тоже время в мягкой части спектра (р-г < 2 ГэВ/с) наблюдается увеличение среднего импульса с ростом числа нуклонов участников. Это отражает влияние радиального потока в более центральных столкновениях.
Все тенденции в экспериментальных данных при a/s/vtv = 200 ГэВ наблюдаются при меньшей энергии пучков y/s^x — 130 ГэВ.
Результаты измерений в р+р столкновениях показали, что спектры заряженных адронов хорошо описываются теоретическими расчетами в пертубативной КХД. Это подтверждает наличие твердой теоретической базы в понимании процессов рождения частиц с высокими импульсами в нуклон-нуклонных столкновениях при энергии RHIC.
Для численного определения эффектов среды на рождение энергичных адронов был использован ядерный модификационный фактор RaaRaa является оценкой выхода измеренных частиц в, А + А столкновениях по сравнению с ожидаемым выходом, опираясь на результаты в р + р столкновениях в предположении скейлинга по числу бинарных нуклон-нуклонных столкновений, (Nbinary)• Если образуемая среда не влияет на выход быстрых партонов (а с ними и адронов-фрагментов), то Raa должен равняться единице.
В периферийных соударениях величина Raa действительно близка к единице. Окесзалось, а это является основным выводом диссертации, что выход заряженных адронов с большими поперечными импульсами существенно подавлен в центральных Au + Au столкновениях Подавление плавно усиливается с увеличением центральности, Raa достигает величины 0 2 Это означает, что в ядро-ядерных столкновениях адроны подавлены в пять раз по сгравнению с ожидаемым выходом, если бы рождение происходило в обычной холодной ядерной Ср6де При энергии пучков л/snn — 130 ГэВ подавление несколько меньше.
Для подтверждения правильности и надежности результата данные по подавлению заряженных адронов сравниваются с аналогичными данными для нейтральных тг—-мезонов Измерения 7Г° выполнены так же на установке PHENIX, что позволяет сократить многие систематические ошибки. Приимпульсах р? >4−5 ГэВ/с подавлепие для заряженнЕгх частиц и для 7Г° примерно одинаково. Это вполне правомерно, — поскольку: те и другиечастицы являются продуктами фрагментации быстрых партонов. Если партоны подавляются эффект должен быть одинаков. Эксперимент подтверждает, что подавление происходит на партонном уровне.
Обнаружено отличие в значениях Raa для заряженных частиц и для 7г° в Интервале импульсов 2< рт < 4,5 ГэВ/с. Оно объясняется большой величиной отнощения наблюдаемого в центральных Auf Au столкновениях. Окончательного полного объяснения увеличения выходов барионов в этом интервале импульсов пока нет.
Проведено исследование отношения h/тг° для всех классов центральности. Если доминирующим механизмом рождения заряженных адронов является образование быстрого партона с последующей фрагментацией, то состав рожденных частиц должен определяться функцией фрагментации струй. При рт > 4,5 ГэВ/с отношение h/7Г° является постоянной величиной равной 1,6 в согласии с данными в р + р и е+е~, где рождение и фрагментация струй промерены с хорошей достоверностью. Это подтверждает вывод, что рождение высокоимпульсных адронов происходит в результате фрагментации партонов.
Справедливость скейлинга по числу независимых бинарных столкновений для реакций с участием партонов было проиллюстрировано результатами PHENIX по измерению выхода прямых фотонов. Рождение прямых фотонов является жестким процессом и происходит в начальной стадии взаимодействия ядер на партонном уровне. Сечение этих процессов мало и должно следовать бинарному скейлингу. В силу очень слабого взаимодействия фотонов с возникшей ядерной средой рождение прямых фотонов являются надежной Проверкой бинарного скейлинга. Действительно, фактор Raa Для прямых фотонов не зависит от центральности и в пределах ошибок равен единице.
Эксперементальные результаты по подавлению выходов адронов с большими поперечными импульсами сравниваются с теоретическими моделями. Большинство моделей основыно на предположении, что плотная цветная среда, в фазе деконфаймента будет вызывать потерю энергии движущимся: партоном за счет излучение глюонов, что эффективно приводит к понижению выхода фрагментных адронов с большими рт (jet quenching, джет квенчинг). Имеется большое разнообразие моделей в рамках указанного подхода. Каждая из моделей оперирует разными подгоночными параметрами. С помощью подгонки этих величин, модели хорошо описывают поведение фактора Ялл от импульса и центральности. К таким параметрам относятся: первоначальная плотность глюонов в зоне взаимодействия на уровне dNg —¦ 1000 на единицу быстроты, партонный транспортный коэффициент q & 3,5 ГэВ/фм, коэффициент непрозрачности L/X ~ 3 — 4 и другие критические параметры.
Отдельно следует рассматривать модель A. Capella, А. Б. Кайдалова и др. Они оценивают плотность образованной среды, как совокупность адронов, преимущественно пионов. Для объяснения сильного подавления выхода адронов с большими поперечными импульсами по сравнению с обычным холодным ядерным веществом авторы модели вводят аномально сильное сечение взаимодействия на пре-адронном уровне, то есть до формирования адрона как частицы. После подгонки величины аномального сечения взаимодействия для пионов результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Существовало так же другое объяснение подавления быстрых адронов за счет эффекта в начальном состоянии, когда возможно эффективное насыщение глюонов при малых значениях Бьеркеновской х. Как показали экспериментальные данные для соударений d + Аи, насыщение глюонов не наблюдается при энергии RHIC.
Проведены измерения выходов заряженных адронов в d + Аи столкновениях. Эта реакция является, по существу, контрольным экспериментом. В Аи + Аи столкновениях обнаружено существенное подавление выхода заряженных адронов и нейтральных пионов в центральных столкновениях. В принципе наблюдаемый эффект может являться следствием насыщения рапределения глюонов в начальном состоянии. Убедиться, что это не так, удалось экспериментальным путем. В реакции d + Аи не ожидается образования плотного ядерного вещества, однако условия для возникновения возможного эффекта насыщения глюонов в ядре золота остаются.
Для событий d + Аи столкновений были выделены четыре класса по центральности.
Дополнительно, посредством мечения (регистрации) нуклона спектатора, <1 + Аи события были разбиты на случаи только р + Аи или п + Аи столкновений. Оказалось, что ядерный модификационный фактор для столкновений дейтерий-золото ((I ЧАи) и нуклон-золото (./V + Аи) не опускается ниже единицы. Наблюдается небольшое увеличение Яали и Яили в интервале импульсов 1,5 ГэВ/с и 5 ГэВ/с с максимальной амплитудой около 1,3−1,4, что может быть связано с эффектом Кронина (увеличение выходов частиц в р— А столкновениях по сравнению с реакцией р+р быстрее, чем масса ядра мишени), наблюдаемом и при низких энергиях пучка.
На основании измерений (I + Аи столкновений сделан вывод, что эффект подавления в центральных Аи + Аи не является эффектом начального состояния, а связан со взаимодействием в образованной плотной среде. Отсутствие, поглощения с1 + Аи и N + Аи столкновениях и сильное подавление в Аи+Аи взаимодействиях. указывают на существенное отличие в последнем случае свойств образующегося вещества от обычной холодной ядерной материи.
Впервые с использованием метода мечения нуклона спектатора из ядра дейтерия были измерены и сопоставлены для сравнение реакции р + Аи и п + Аи. Измерение столкновений нейтронов с ядрами при столь высокой энергии = 200 ГэВ) являются уникальными.
Выходы заряженных адропов оказались одинаковы в пределах ошибок для налетающих протонов и нейтронов.
Для определения возможного механизма описания эффекта Кронина результаты для Ядли и Якли были проанализированы в зависимости от среднего числа последовательных столкновений на нуклон участник (и) из ядра дейтерия. Оказалось, что увеличение выхода за счет эффекта Кронина слабо зависит от и. Это означает, что достаточно 1 или 2 дополнительных жестких столкновений для получения наблюдаемого эффекта. Сценарий возникновения эффекта за счет многих последовательных столкновений с малой передачей импульса исключается.
В независимом анализе РНЕШХ по измерению выходов идентифицированных адронов (протонов, пионов и каонов) в (I + Аи столкновениях спектр протонов промерен до 4 ГэВ/с, а заряженных каонов — до 2,4 ГэВ/с. Для того, чтобы определить их вклад в спектр адронов при более высоких импульсах, мы оценили отношение выходов заряженных адронов, как это сделано в настоящем анализе, к анализу спектров для тг° в тех же экспериментальных условиях. Оказалось, что отношение (к+ Л-к~)/2ттй остается постоянным для импульсов выше 2 ГэВ/с. В самых периферийных столкновениях это отношение равно.
1,58 и согласуется с результатами измерений при более низких энергиях в CERN IFtS. С увеличением центральности отношение растет до 1,78. Отсюда сделан вывод, что в df. au столкновениях так же возникает слабое увеличение выходов протонов и каонов относительно пионов, но в меньшей, степени, как это наблюдается в. центральных Au + Au соударениях.
Основываясь на экспериментальных данных PHENIX по рождению нейтральных пионов относительно плоскости реакции была предложена альтернативная модель подавления быстрых партонов в ядро-ядерных столкновениях при энергии RHIC. Модель описывает геометрию взаимодействия ядер в приближении рассеяния по Глауберу с реалистичным распределением ядерной плотности по Вудс-Саксону. Оказалось, что Многие экспериментальные данные могут быть объяснены в предположении полного подавления партонов в центральной зоне (кор) взаимодействия: Выживают только партоны, родившиеся на периферии^ в зоне малой плотности или короне.- Правильное описание экспериментальных данных требует задания толщины короны в виде простого геометрического параметра L. Выдвинута гипотеза о физической интерпретации толщины короны как времени формирования среды, когда начинается интенсивное подавление партонов. Модель не предлагает конкретного механизма подавления партонов или причин его запаздывания на периферии зоны взаимодействия на время 2−3 Фм/с. Однако хорошее согласие и отсутствие расхождений со многими экспериментальными данными являются указанием на правильность выдвинутого предположения. С увеличением плотности среды к центру области взаимодействия время формирования может уменьшаться до 0,5−0,8 Фм/с, однако точное определение этой величины затруднительно.
В рамках гипотезы о конечном времени формирования среды удается описать отсутствие поглощения нейтральных пионов в плоскости реакции в Au + Au соударениях при центральности 50−60%. Модель объясняет причину возникновения существенной азимутальной ассиметрии в рождении адронов с большими рт, описывает поведение фактора Raa в зависимости от центральности для Au + Au и Си + Си. В последнем случае предсказание было сделано до появления экспериментальных результатов. Полное подавление быстрых партонов в центральном коре естественным образом объясняет отсутствие зависимости Raa от импульса при больших ртРождение всех адронов с большими поперечными импульсами за счет фрагментации партонов из области короны объясняет равенство фактора подавления для мезонов и барионов. Модель хорошо описывает зависимость двухструйных событий от центральности. Наличие кора с сильным подавлением не только легких партонов, а и тяжелых очарованных кварков может служить объяснением наблюдаемого подавления и азимутальной ассиметрии при рождении с—кварком.