ИСТИНА

В ходе работ по модернизации детекторов на Большом адронном коллайдере - Large Hadron Collider (LHC) и подготовки к анализу экспериментальных данных при повышенной энергии пучков и светимости ускорителя одной из приоритетных задач является развитие технологий и методов для изучения фундаментальных взаимодействий частиц в условиях высоких загрузок детекторов. Важным элементом современных экспериментальных комплексов, используемых в физике высоких энергий, являются калориметрические детекторные системы. Калориметры предназначены, в значительной степени, для реконструкции и измерения характеристик адронных струй, образующихся в результате фрагментации высокоэнергичных кварков и глюонов, и являющихся важным инструментом проверки Стандартной модели элементарных частиц и поиска новой физики в секторе сильных взаимодействий. Экспериментальный и феноменологический анализ различных физических процессов с рождением адронных струй в протон-протонных соударениях и столкновениях тяжелых ионов является одной из основных задач данного проекта. При этом экстремально высокие загрузки детекторных систем, ожидаемые после возобновления работы LHC в 2015 году, требуют разработки новых методов мониторинга и калибровки адронного калориметра и модернизации используемого программного обеспечения для реконструкции адронных струй. В рамках предлагаемого проекта данная задача будет выполняться применительно к адронному калориметру установки Компактный мюонный соленоид — Compact Muon Solenoid (CMS). Планируется проведение модернизации созданного в Московском государственном университете удаленного операционного центра, который обеспечивает интерактивный доступ к внутренней сети эксперимента CMS и используется для дистанционного контроля функционирования детекторных систем и статуса системы распределенных вычислений. Еще одной важной задачей, связанной с работой в условиях высоких загрузок детекторных систем, является мониторинг радиационной деградации чувствительных элементов оптики и электроники калориметров и контроль эффективности их радиационной защиты, что особенно актуально для расположенных в области больших быстрот «передних» калориметров. Для решения этой задачи предполагается модернизация системы нейтронных мониторов и ионизационных камер HF RADMON (Hadron Forward RADiation MONitors), разработанной ранее группой данного проекта и предназначенной для измерения потоков нейтронов и доз ионизирующих излучений в области переднего калориметра установки CMS. В ходе выполнения данного проекта планируется разработка и модернизация программного обеспечения (Монте-Карло генераторов событий и соответствующих интерфейсов с программным обеспечением экспериментов), предназначенного для моделирования множественного рождения частиц в релятивистских ядро-ядерных взаимодействиях в широком диапазоне энергий, включая как энергии LHC, так и энергии будущего коллайдера NICA (ОИЯИ, Дубна).

Проведено исследование процедуры калибровки адронного калориметра установки CMS с помощью физических процессов и определены необходимые изменения в процедуре относительной калибровки на основе анализа событий без калориметрических порогов. Оптимизирован набор триггерных событий и проведена оценка необходимого времени для набора статистики, достаточной для калибровки калориметра с точностью 2%. На основе измерений отклика ячеек с помощью светодиодов разработаны критерии, позволяющие определить качество работы ячейки, включая систему съема информации. Проведены относительная и абсолютная калибровки адронного калориметра установки CMS с использованием данных LHC как c включенным, так и с выключенным магнитным полем. На основе данных эксперимента CMS, набранных в ходе работы LHC в 2016 году при энергии протонов в системе центра масс 13 ТэВ и интегральной светимости около 40 обратных фемтобарн, проведена относительная калибровка ячеек адронного калориметра установки со статистической точностью лучше 1%; при этом систематическая погрешность калибровки составила менее 5%. Отлажен автоматический режим работы системы мониторирования качества работы адронного калориметра в удаленных компьютерных центрах (включая операционный центр ROC MSU в НИИЯФ МГУ) с помощью фотодиодных, “пьедестальных” и лазерных локальных запусков. С помощью данной системы проведена оценка радиационных повреждений переднего адронного калориметра. Выполнены калибровочные измерения чувствительности нейтронных детекторов системы HF RADMON установки CMS, предназначенной для контроля радиационных условий в области передних калориметров. Исследована анизотропия детекторов и получены итоговые значения калибровочных коэффициентов. Подтверждена оценка десятикратной эффективности радиационной защиты, показана анизотропия нейтронных полей в экспериментальном зале установки CMS и получены окончательные значения интегральных потоков нейтронов за все время работы установки CMS. Выполнен ряд методических исследований, подтвердивших перспективность использования системы HF RADMON в качестве одной из подсистем мониторирования светимости и контроля пучковых условий. Обработан значительный объем данных по нейтронным полям на установке CMS, полученных в ходе сеансов физических измерений 2015 и 2016 годов на LHC. Получены и проанализированы с точки зрения радиационных условий и эффективности защиты данные по нейтронным потокам в области передних калориметров установки при энергии протонных пучков 13 ТэВ и светимостях до 15000 обратных микробарн в секунду. Дополнительно исследован ряд эффектов, связанных с фоном нейтронов в критических областях установки. Обработаны первые данные по интенсивности доз ионизирующих излучений с ионизационной камеры, расположенной в области кварцевых волокон передних калориметров. С целью оценки деградации элементов установки CMS рассчитаны суммарные дозы и потоки нейтронов, ожидаемые по завершении второго этапа работы LHC. Проведена модернизация алгоритма JetPlusTrack, разработанного ранее участниками проекта для реконструкции адронных струй в протон-протонных столкновениях с использованием калориметрической и трековой систем установки CMS, с целью его применения в ядро-ядерных взаимодействиях с высокой множественностью. Для этого были введены дополнительные процедуры, включающие вычитание фоновой энергии из калориметрических ячеек и дополнительные коррекции с использованием фоновых заряженных частиц; измерение эффективности регистрации заряженных частиц для метода реконструкции событий, используемого в ядро-ядерных соударениях; проведение специальной калибровки энергии струй; приведение интерфейса алгоритма в соответствие со специальным форматом вывода данных, используемым для анализа взаимодействий тяжелых ионов. Проведена разработка и оптимизация методов “машинного обучения” для разделения адронных струй, инициированных кварками и глюонами, в соударениях тяжелых ионов. Получены предварительные результаты по отношению выходов “кварковых” струй к “глюонным” струям в протон-протонных столкновениях при энергии в системе центра масс 5.02 ТэВ и в периферических соударениях ионов свинца при той же энергии на пару нуклонов. С помощью разработанной ранее участниками проекта модели потерь энергии партонов в среде PYQUEN проведены феноменологический анализ и интерпретация данных эксперимента CMS по функции фрагментации и форме адронных струй, измеренных в соударениях ионов свинца при энергии в системе центра масс 2.76 ТэВ на пару нуклонов. Характерная модификация продольного и радиального профиля струй в соударениях ионов свинца по сравнению с протон-протонными столкновениями при той же энергии хорошо описываются результатами моделирования в случае учета широкоугловых радиационных и столкновительных потерь энергии партонов. Некоторое усиление выхода частиц в струях при больших поперечных импульсах и практически отсутствие модификации в центральной области струи может быть объяснено значительными потерями энергии партонов за пределы конуса струи. Таким образом модификация внутренней структуры струй в центральных соударениях ионов свинца на LHC свидетельствует о наличии интенсивных широкоугловых потерь энергии партонов в среде. Проведен анализ данных эксперимента CMS по характеристикам двухструйных событий с псевдобыстротным интервалом между лидирующими адронными струями (события “jet-gap-jet”) в протон-протонных взаимодействиях при энергии в системе центра масс 7 ТэВ. Измерено отношение доли событий “jet-gap-jet” по отношению к числу событий с рождением инклюзивных пар струй и показано, что данное отношение увеличивается с ростом поперечного импульса струй и ширины быстротного интервала. На основе сравнения экспериментальных данных с предсказаниями генераторов событий PYTHIA и HERWIG показана необходимость учета вклада событий с обменом цветовым синглетом для описания результатов. Проведено сравнение данных CMS с полученными ранее данными экспериментов CDF и D0 на Тэватроне при более низких энергиях 0.63 и 1.8 ТэВ, подтвердившее эффект подавления доли “jet-gap-jet” событий с ростом энергии сталкивающихся пучков. Проведен анализ данных эксперимента CMS по рождению Y-мезонов c адронными струями в протон-протонных соударениях при энергии в системе центра масс 7 ТэВ. На основе измерения импульсной зависимости выхода адронов в различных областях азимутальных углов установлено, что Y мезоны могут рождаться как в событиях с одной адронной струей (при этом Y мезон и струя разлетаются в противоположных по азимутальному углу направлениях), так и в событиях с двумя струями (рождение Y мезона в струе), причем с ростом поперечного импульса Y мезона относительная доля двухструйных событий возрастает. На основе сравнения данных с предсказаниями генератора событий PYTHIA с “надстройкой” EvtGen показана необходимость учета дополнительных механизмов рождения Y мезонов по сравнению с используемой моделью. Получены первые предварительные результаты по измерению азимутальной корреляционной функции между Y мезоном и ассоциированными адронами в протон-протонных соударениях при энергии 13 ТэВ, которые подтверждают характерные особенности рождения Y мезонов c адронными струями, выявленные при энергии 7 ТэВ. С помощью разработанной ранее участниками проекта модели HYJDET++ проведен феноменологический анализ и интерпретация данных экспериментов ALICE, ATLAS и CMS по двухчастичным угловым корреляциям адронов, измеренных в соударениях ионов свинца при энергии в системе центра масс 2.76 ТэВ на пару нуклонов. Происходящее на стадии вымораживания адронной системы взаимодействие между эллиптическим и триангулярным коллективными потоками позволяет описать экспериментально наблюдаемую структуру двухчастичных угловых корреляций. Амплитуда двухчастичных корреляций в области “ридж”-эффекта и в области “двугорбой структуры” хорошо описываются результатами моделирования для полуцентральных столкновений, где коллективные потоки преобладают над флуктуациями начального состояния. С помощью модели HYDJET++ проведен феноменологический анализ и интерпретация данных эксперимента ALICE по импульсным спектрам и эллиптическому потоку J/Psi и D мезонов, измеренных в соударениях ионов свинца при энергии в системе центра масс 2.76 ТэВ на пару нуклонов. Показано, что учет термального и жесткого механизмов рождения очарованных адронов позволяет описать данные при условии, что значительная часть D мезонов находится в кинетическом равновесии с образованной адронной материей, в то время как J/psi мезоны характеризуются ранним (по сравнению с легкими адронами) вымораживанием. Хорошее согласие результатов вычислений с данными для фактора ядерной модификации D мезонов вплоть до очень высоких поперечных импульсов (16 ГэВ/c) свидетельствует об адекватности моделирования перерассеяния и энергетических потерь тяжелых кварков в горячей материи в генераторе событий HYDJET++. С помощью модели HYDJET++ проведен феноменологический анализ и интерпретация данных эксперимента ATLAS по корреляциям между различными гармониками анизотропного потока заряженных адронов и пособытийным флуктуациям коэффициентов эллиптического v2 и триангулярного v3 потока, измеренным в соударениях ионов свинца при энергии в системе центра масс 2.76 ТэВ на пару нуклонов. В результате сопоставления результатов моделирования с данными (с применением процедуры коррекции “unfolding”) для пособытийных флуктуаций коэффициентов v2 и v3 установлено, что заложенные в модели HYDJET++ флуктуации имеют эффективно динамическое происхождение из-за сильных корреляций импульсов конечных частиц и координат и скоростей элементов адронной жидкости. Включение в модель дополнительных пособытийных флуктуаций эллиптического и триангулярного эксцентриситетов области вымораживания адронов позволило описать данные по флуктуациям коэффициентов анизотропного потока v2 и v3. На основе модельного анализа данных по азимутальным осцилляциям фемтоскопических радиусов и коэффициентам эллиптического потока адронов сделан вывод о доминировании динамического механизма генерации эллиптического потока. С помощью моделей HYDJET и HYDJET++ проведен феноменологический анализ новых данных LHC по множественному рождению адронов в соударениях ионов свинца при энергии 5.02 ТэВ на пару нуклонов. Проведена предварительная настройка входных параметров моделей, которая позволила с 10%-ной точностью описать измеренные зависимость множественности заряженных адронов от центральности взаимодействия и их импульсные спектры. Проведена адаптация и настройка параметров модели HYDJET++ к соударениям тяжелых ионов при энергиях будущего коллайдера NICA (ОИЯИ, Дубна). Результаты моделирования анизотропного потока заряженных адронов в соударениях ионов золота при энергии в системе центра масс 9 ГэВ на пару нуклонов с помощью модели HYDJET++ включены в физическую программу NICA (“NICA White Paper”).