Механизмы множественного рождения адронов в соударениях тяжелых ионов при энергиях Большого адронного коллайдераНИР

Mechanisms of multihadron production in heavy ion collisions at the energies available at the Large Hadron Collider

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Механизмы множественного рождения адронов в соударениях тяжелых ионов при энергиях Большого адронного коллайдера
Результаты этапа: Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлен данный Проект, является проверка теории сильных взаимодействий (Квантовой хромодинамики) в новых экстремальных режимах сверхвысоких плотностей энергий и температур, основанная на феноменологическом анализе механизмов множественного рождения частиц в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов. За отчетный период был проведена настройка параметров моделей HYDJET и HYDJET++ для соударений ионов свинца при энергии в системе центра масс 5.02 ТэВ на пару нуклонов. Было установлено, что описание экспериментальных данных по корреляционным радиусам пар тождественных каонов в модели HYDJET++ может быть достигнуто при учете задержки испускания каонов из сгустка адронной материи. На основе анализа азимутальных осцилляций корреляционных радиусов пар тождественных пионов был сопоставлен вклад различных механизмов генерации анизотропного потока частиц и установлено, что доминирует динамический механизм, но геометрический механизм также необходимо учитывать. В модель HYDJET++ введена возможность описания гиперповерхности вымораживания сгустка адронной материи, основанная на использовании азимутальной осцилляции, как для профиля коллективной скорости, так и для пространственной области вымораживания. Показано, что модель HYDJET++ достаточно хорошо воспроизводит экспериментально наблюдаемую зависимость силы корреляций ''вперед-назад'' по множественности заряженных частиц от центральности соударений свинец-свинец при энергии 2.76 ТэВ на пару нуклонов. Обнаружено, что корреляции ''вперед-назад'' по множественности сильнее для струйной компоненты, чем для гидродинамической, и в наиболее центральных соударениях определяются, главным образом, именно струйной компонентой; в то же время для более периферических соударений вклад струйной компоненты в корреляции ''вперед-назад'' уменьшается и уже необходимо учитывать вклад гидродинамической компоненты. Проведен сравнительный анализ различных механизмов подавления выхода B-мезонов в соударениях ионов свинца при энергии 5.02 на пару нуклонов ТэВ и показано, что экспериментально наблюдаемая слабая импульсная зависимость фактора подавления B-мезонов может быть воспроизведена моделью HYDJET++ в случае учета ядерного экранирования начальных партонных распределений и радиационных и столкновительных потерь энергии тяжелых кварков в горячей материи. При этом выявлено существенное различие в степени влияния эффектов начального и конечного состояний на подавление выхода легких и тяжелых адронов. Проведено измерение двухчастичных азимутальных корреляций основных (Y(1S)) и возбужденных (Y(2S),Y(3S)) состояний боттомония с ассоциированными заряженными адронами в протон-протонных взаимодействиях при энергии 7 ТэВ, начат анализ соответствующих данных при энергии 13 ТэВ.
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Механизмы множественного рождения адронов в соударениях тяжелых ионов при энергиях Большого адронного коллайдера
Результаты этапа: 1) Завершена настройка параметров моделей HYDJET и HYDJET++ для соударений ионов свинца при энергии в системе центра масс 5.02 ТэВ на пару нуклонов на основе сравнения результатов моделирования с новыми данными экспериментов на Большом адронном коллайдере (множественность заряженных частиц в зависимости от центральности соударений, распределения заряженных адронов по псевдобыстроте и по поперечному импульсу, зависимость коэффициентов эллиптического потока от поперечного импульса частиц, зависимость корреляционных радиусов от среднего поперечного импульса пары пионов). Проведен модельный анализ данных эксперимента ALICE по Бозе-Эйнштейновским корреляциям тождественных каонов в соударениях ионов свинца при энергии 5.02 ТэВ. Было установлено, что модель HYDJET++ с учетом задержки испускания каонов достаточно хорошо воспроизводит экспериментально наблюдаемое убывание одномерных корреляционных радиусов каонов с ростом поперечного импульса пары частиц для наиболее центральных соударений (класс центральности < 30%); однако для периферических соударений модель предсказывает несколько более пологий наклон импульсной зависимости корреляционных радиусов, чем в эксперименте. Полученный результат свидетельствует о том, что в модели разумно заложена пространственно-временная структура источника множественного рождения адронов (хотя для улучшения описания корреляционных радиусов пар каонов в периферических соударениях тяжелых ионов может быть необходима дополнительная (более тонкая) подстройка модельных параметров). 2) Проведено исследование возможности использования модели HYDJET++ для анализа корреляционных радиусов пионов с использованием таких глобальных характеристик событий как ''сферичность'' и максимальный поперечный импульс события. Первым этапом данного исследования стало использование модели в моде протон-протонного взаимодействия с помощью генераторов событий PYTHIA и PYQUEN. Показано, что выделяя изотропные события (значения ''сферичности'' близки к 1) можно значительно подавить вклад мини-струй, в то время как выделение ''струйных'' событий возможно при отборе малых значений ''сферичности''. Однако результаты моделирования для соударений свинец-свинец свидетельствуют о том, что сильные коллективные эффекты (в частности, анизотропный поток частиц) существенно затрудняют выделение событий с различной топологией по классам ''сферичности''. Аналогичные предварительные исследования с использованием максимального поперечного импульса события дают основания полагать, что данная характеристика может оказаться более эффективным инструментом классификации взаимодействий тяжелых ионов с различной топологией. 3) В рамках модели HYDJET++ была исследована зависимость среднего числа заряженных частиц, испущенных в переднюю полусферу области соударений пучков, от числа заряженных частиц, испущенных в заднюю полусферу - корреляции ''вперед-назад''. Основными источниками корреляций ''вперед-назад'' по множественности частиц в данной модели являются фрагментация кварк-глюонных струй, распад резонансов и коллективный гидродинамический поток частиц. Показано, что модель HYDJET++ достаточно хорошо воспроизводит экспериментально наблюдаемую зависимость силы таких корреляций от центральности соударений свинец-свинец при энергии 2.76 ТэВ (включая эффект ослабления корреляций с уменьшением ширины класса центральности), результаты моделирования согласуются с соответствующими данными эксперимента ALICE. Впервые установлено, что корреляции ''вперед-назад'' сильнее для жесткой струйной компоненты, чем для мягкой гидродинамической компоненты, и в наиболее центральных соударениях определяются, главным образом, именно жесткой компонентой. Однако для получения правильной зависимости силы корреляций от центральности необходим одновременный учет обоих компонент. При этом вклад короткодействующих корреляций от распада резонансов в корреляции ''вперед-назад'' для мягкой компоненты сопоставим с вкладом дальнодействующих корреляций, обусловленных гидродинамическим потоком частиц. Обнаружено также, что экспериментально наблюдаемый эффект уменьшения коэффициента корреляций для более узких классов центральности обусловлен в модели HYDJET++, главным образом, ослаблением корреляций для адронов мягкой компоненты, в то время как сила корреляций для адронов жесткой компоненты почти не зависит от ширины класса центральности. С увеличением энергии сталкивающихся ионов до 5.02 ТэВ корреляции ''вперед-назад'' по множественности усиливаются, и это усиление более выражено в случае большего вклада жесткой компоненты в полную множественность. 4) Вычислен спектр синхротронного излучения, возникающего в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов на границе кварк-глюонной плазмы в результате взаимодействия легких кварков с коллективным цветовым полем, обеспечивающим их удержание. При проведении данного вычисления использовалось оригинальное обобщение методов квантовой электродинамики и скейлинговое решение уравнений эволюции релятивистской гидродинамики, что позволило получить большинство результатов для суммарного выхода фотонов и дилептонов за все время эволюции кварк-глюонной плазмы в аналитическом виде. Впервые показано, что для наиболее центральных столкновений ионов свинца при энергиях LHC вклад этого механизма в экспериментально измеренный выход прямых фотонов может достигать 10%. Продемонстрировано, что при переходе от центральных к периферическим соударениям тяжелых ионов относительный вклад синхротронного излучения увеличивается по сравнению с другими (объемными) механизмами образования фотонов. 5) В рамках исследования двухчастичных азимутальных корреляций основных (Y(1S)) и возбужденных (Y(2S),Y(3S)) состояний боттомония с ассоциированными заряженными адронами в протон-протонных взаимодействиях при энергии 13 ТэВ с использованием полной статистики, набранной экспериментом CMS в 2016-2018 гг, была исследована эффективность реконструкции заряженных адронов для условий (калибровки и геометрии трекового детектора установки, версий программного обеспечения), соответствующих периоду получения данных. На основе проведенного исследования выявлены особенности в зависимости эффективности от поперечного импульса заряженных адронов, оценено их влияние на реконструированные в соответствующих условиях события и получены новые функции нормировки данных эксперимента для определения истинной множественности заряженных адронов в зависимости от их поперечного импульса и псевдобыстроты. По результатам Проекта к настоящему времени опубликовано четыре статьи (две – в рецензируемых журналах, две – в трудах конференций), еще одна статья отправлена в журнал. В 2019 году сделан один доклад на международной конференции (всего за два года выполнения проекта - четыре доклада). Результаты по исследованию двухчастичных азимутальных корреляций боттомония с ассоциированными заряженными адронами докладывались на рабочих совещаниях коллаборации CMS. Защищена дипломная работа бакалавра (А.А.Сидорова).
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Механизмы множественного рождения адронов в соударениях тяжелых ионов при энергиях Большого адронного коллайдера
Результаты этапа: 1) В рамках модели HYDJET++ была исследована зависимость среднего числа заряженных частиц, испущенных в переднюю полусферу области соударений пучков, от числа заряженных частиц, испущенных в заднюю полусферу - корреляции ''вперед-назад''. Основными источниками корреляций ''вперед-назад'' по множественности частиц в данной модели являются фрагментация кварк-глюонных струй, распад резонансов и коллективный гидродинамический поток частиц. Показано, что модель HYDJET++ достаточно хорошо воспроизводит экспериментально наблюдаемую зависимость силы таких корреляций от центральности соударений свинец-свинец при энергии 2.76 ТэВ (включая эффект ослабления корреляций с уменьшением ширины класса центральности), результаты моделирования согласуются с соответствующими данными эксперимента ALICE. Впервые установлено, что корреляции ''вперед-назад'' сильнее для жесткой струйной компоненты, чем для мягкой гидродинамической компоненты, и в наиболее центральных соударениях определяются, главным образом, именно жесткой компонентой. Однако для получения правильной зависимости силы корреляций от центральности необходим одновременный учет обоих компонент. При этом вклад короткодействующих корреляций от распада резонансов в корреляции ''вперед-назад'' для мягкой компоненты сопоставим с вкладом дальнодействующих корреляций, обусловленных гидродинамическим потоком частиц. Обнаружено также, что экспериментально наблюдаемый эффект уменьшения коэффициента корреляций для более узких классов центральности обусловлен в модели HYDJET++, главным образом, ослаблением корреляций для адронов мягкой компоненты, в то время как сила корреляций для адронов жесткой компоненты почти не зависит от ширины класса центральности. С увеличением энергии сталкивающихся ионов до 5.02 ТэВ корреляции ''вперед-назад'' по множественности усиливаются, и это усиление более выражено в случае большего вклада жесткой компоненты в полную множественность. В рамках модели HYDJET++ было также проведено исследование корреляций между разноименно заряженными частицами с помощью метода функций баланса в соударениях ионов свинца при энергиях LHC. Показано, что фрагментация кварк-глюонных струй и распад резонансов дают сопоставимый вклад в быстротные корреляции между разноименно заряженными частицами. 2) На основе модельного анализа данных LHC по соударениям ионов свинца при энергии 5.02 ТэВ на пару нуклонов были исследованы механизмы корреляций между коэффициентами эллиптического потока адронов при малых и больших поперечных импульсах. Показано, что модель HYDJET++ воспроизводит измеренную в эксперименте CMS зависимость таких корреляций от центральности соударений. Хотя механизмы возникновения азимутальной анизотропии частиц при малых и больших поперечных импульсах различны (гидродинамический коллективный поток и потери энергии кварков и глюонов в азимутально-несимметричном объеме горячей материи соответственно), такие корреляции возникают вследствие общей геометрии начальной области перекрытия сталкивающихся ядер. При этом установлено, что для больших поперечных импульсов и наиболее периферических ядро-ядерных соударений доминирующим источником наблюдаемой азимутальной анизотропии являются корреляции рожденных в результате фрагментации кварк-глюонных струй частиц с осью таких струй - механизм, не связанный с начальной геометрией столкновения, который должен быть учтен для получения наблюдаемой картины корреляций. 3) Проведено исследование двухчастичных азимутальных корреляций основных (Y(1S)) и возбужденных (Y(2S),Y(3S)) состояний боттомония с ассоциированными заряженными адронами в протон-протонных взаимодействиях при энергиях 7 ТэВ и 13 ТэВ. На основе анализа данных эксперимента CMS было установлено, что начиная с поперечных импульсов Y-мезонов pT~10 ГэВ их рождение сопровождается появлением адронов, вылетающих в направлении движения Y-мезона, что может быть интерпретировано как рождение боттомония в адронной струе. При этом относительный выход таких адронов растет с увеличением поперечного импульса Y-мезона. Были также измерены значения выходов в передней и задней (относительно движения Y-мезона) полусферах по азимутальному углу для возбужденных состояний боттомония Y(2S) и Y(3S), что позволило оценить вклад различных распадов возбужденных состояний в сечение рождения боттомония в передней полусфере. Результаты измерений при 7 и 13 ТэВ качественно согласуются друг с другом. 4) Вычислен спектр синхротронного излучения, возникающего в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов на границе кварк-глюонной плазмы в результате взаимодействия легких кварков с коллективным цветовым полем, обеспечивающим их удержание. При проведении данного вычисления использовалось оригинальное обобщение методов квантовой электродинамики и скейлинговое решение уравнений эволюции релятивистской гидродинамики, что позволило получить большинство результатов для суммарного выхода фотонов и дилептонов за все время эволюции кварк-глюонной плазмы в аналитическом виде. Впервые показано, что для наиболее центральных столкновений ионов свинца при энергиях LHC вклад этого механизма в экспериментально измеренный выход прямых фотонов может достигать 10%. Продемонстрировано, что при переходе от центральных к периферическим соударениям тяжелых ионов относительный вклад синхротронного излучения увеличивается по сравнению с другими (объемными) механизмами образования фотонов. Проведены оценки степени поляризации как реальных, так и виртуальных фотонов для реалистичной геометрии плазменного объема. Установлено, что наличие поляризации синхротронного излучения приводит к азимутальной анизотропии разлета лептонной пары по отношению к трехмерному импульсу этой пары, что может быть использовано в качестве эффективного способа выделения этого источника термальных фотонов и лептонов на фоне других механизмов их образования. 5) В рамках модели HYDJET++ проведено исследование возможности классификации соударений тяжелых ионов с различной топологией при анализе корреляционных радиусов пионов с использованием таких глобальных характеристик как ''сферичность'' и максимальный поперечный импульс события. Установлено, что отбор по сферичности событий является эффективной возможностью разделения "струйных" событий и событий, не содержащих струи. Для отобранных "сферичных" событий наблюдается выполаживание зависимости корреляционных радиусов пионов от среднего поперечного импульса пары частиц, тогда как для "струйных" событий эта зависимость является убывающей. Для малых радиусов (< 2 Фм) модельная зависимость корреляционных радиусов от отбора по сферичности качественно согласуется с соответствующими данными эксперимента ALICE. При этом показано, что отбор по максимальному поперечному импульсу в соударениях тяжелых ионов также является эффективным в классификации различных топологий событий, но более неоднозначен при интерпретации полученных результатов.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".