 |
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
СТРУКТУРЫ И ЭВОЛЮЦИИ АДРОНОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
СОСТОЯНИЯХ ПРИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ
|
Цель проводимых исследований -
экспериментальный и теоретический анализ различных аспектов теории сильных взаимодействий (Квантовой
Хромодинамики, КХД) в новых, малоизученных режимах экстремально высоких плотностей энергии и температур,
достигаемых в соударениях адронов и ядер высоких энергий.
Основное содержание работ -
изготовление и подготовка к работе различных детекторных подсистем
ускорительных экспериментов (CMS, E852, СМС МГУ), разработка методов анализа
экспериментальных данных в ядро-ядерных,
адрон-ядерных и адрон-адронных взаимодействиях при высоких энергиях, развитие моделей множественного
рождения частиц в сильных взаимодействиях и анализ ускорительных данных.
Значительная часть работ проводится в рамках подготовки совместного международного эксперимента
Компактный мюонный соленоид (Compact Muon Solenoid - CMS) на
Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider -
LHC) в ЦЕРНе.
Высокие энергии, которые достигнуты на LHC (8 ТэВ в системе центра масс для протон-протонных соударений
и 2.76 ТэВ на пару нуклонов для соударения ионов свинца), позволяют изучать свойства многопартонных систем и
предсказываемые КХД новые, экстремальные физические состояние таких систем (например, слабо- или
диагностировать сильно-взаимодействующая кварк-глюонная материя, вязкая кварк-глюонная жидкость, идеальный или неравновесный
партонный газ,...). Кроме того, проведены работы по поиску частиц с необычными квантовыми числами
(экзотических мезонов) в адрон-адронных взаимодействиях в рамках совместного международного эксперимента
E852 на ускорителе
AGS в
Брукхейвенской национальной лаборатории
США, в результате которых обнаружено несколько кандидатов в экзотические
мезоны (результаты вошли в публикации международной издательской группы
Particle Data Group). Еще одним важным
направлением исследований стало изучение пространственно-временной картины
адронизации кварков в процессах множественного рождения адронов на ядрах и
анализ спиновых эффектов в соударениях поляризованных пучков протонов с ядрами
в рамках эксперимента "Лидирующие частицы" на установке
СМС МГУ в
ОИЯИ (Дубна). Также начаты работы по подготовке
эксперимента MPD на коллайдере NICA в ОИЯИ.
Работы проводятся в Лаборатории сильных взаимодействий ЛСВ
Отдела экспериментальной физики высоких энергий
ОЭФВЭ. По результатам проведенных работ подготовлено и защищено
3 докторских и 9 кандидатских диссертаций.
Основные направления исследований,
в которых получены значительные результаты.
Эксперимент CMS
-
Изготовление, тестирование и монтаж
детекторных подсистем эксперимента CMS:
- изготовление, подготовка к работе, калибровка и
установка нейтронных мониторов и детекторов ионизирующих
излучений системы радиационного контроля переднего (HF)
калориметра CMS;
- разработка программного обеспечения системы
радиационного контроля HF калориметра;
- проведение тестовых измерений на сегментах HF
калориметра и обработка данных тестовых сеансов с
последующим созданием мониторирующих баз данных HF,
позволяющих контролировать функционирование калориметра в
полуавтоматическом режиме с использованием веб-интрефейса;
- обработка тестовых измерений, выполненных внутри
сверхпроводящего соленоида CMS, с последующей разработкой
трехмерной модели магнитной системы CMS и созданием карты
магнитного поля для математического моделирования условий
регистрации частиц в детекторах CMS и реконструкции
кинематических характеристик экспериментально наблюдаемых
частиц.
- Создание
компьютерного обеспечения для обработки и анализа
событий в адрон-адронных и ядро-ядерных взаимодействиях при
высоких энергиях:
- участие в создании ресурсного центра системы
распределенных вычислений GRID в НИИЯФ МГУ
(web-поддержка и мониторинг работы центра, сертификация
каналов связи для эксперимента CMS, дистанционная установка
программного обеспечения);
- разработка, оптимизация и включение в комплекс
официального программного обеспечения эксперимента CMS
алгоритмов реконструкции адронных струй в условиях большой
загрузки калориметрической системы и алгоритмов коррекции
4-импульса адронных струй с использованием трекерных и
мюонных детекторов;
- разработка, оптимизация и включение в комплекс
официального программного обеспечения эксперимента CMS
алгоритмов реконструкции и методов триггирования мюонных
пар от распада тяжелых резонансов с использованием мюонной
и трекинговой систем в условиях высокой множественности
событий;
- разработка, оптимизация и включение в комплекс
официального программного обеспечения эксперимента CMS
алгоритмов реконструкции глобальных характеристик
ядро-ядерных взаимодействий с помощью калориметрической и
трекинговой систем (центральность взаимодействия, угол
плоскости реакции, первичная вершина взаимодействия);
- разработка и тестирование программ отбора и анализа процессов для
начальной калибровки и мониторирования откликов ячеек калориметров CMS с
использованием различных физических процессов (изотропность азимутального
распределения энергии в событиях, изолированные заряженные адроны, баланс
энергии в двухструйных событиях и в событиях с рождением фотон+струя и
Z-бозон+струя).
- Анализ различных физических
каналов рождения частиц в соударениях тяжелых ионов и в
протон-протонных взаимодействиях с целью изучения экстремальных состояний
КХД-материи в эксперименте CMS на коллайдере LHC:
- сравнительный анализ выхода и спектров кваркониев в
протон-протонных и ядро-ядерных взаимодействиях;
- сравнительный анализ выхода и спектров жестких струй и
высокоэнергичных адронов в протон-протонных
и ядро-ядерных взаимодействиях;
- изучение механизмов фрагментации струй в
протон-протонных и ядро-ядерных взаимодействиях;
- анализ азимутальной анизотропии потока адронов и
потока энергии в протон-протонных и ядро-ядерных
взаимодействиях.
Эксперимент E852
- Участие в эксперименте E852
на ускорителе AGS "Поиск мезонов с необычными квантовыми числами":
- создание элементов аппаратуры экспериментальной установки,
включая разработку и тестирование как прототипов, так и полномаштабного детектора -
3000-канального спектрометра фотонов со свинцовыми стеклами;
- разработка математического и компьютерного обеспечения для
анализа многочастичных конечных состояний и установления квантовых чисел мезонных
резонансов, включая редкие экзотические мезоны, запрещенные в стандартой кварковой
модели;
- исследование различных каналов реакции pi- p -> X p(n) при энергии пучка
пионов 18 ГэВ/c (где X - система рожденных мезонов) при рекордной статистике 1.9
млрд. событий: отбор с помощью кинематического фита определенных каналов распада
состояния X (таких как X -> 3 pi, eta pi, f1(1285) pi и др.) для обнаружения
мезонных резонансов с экзотическими квантовыми числами J(PC)= 1(- +), 2(+ -),
предсказываемых в расчетах КХД по правилу сумм и в некоторых моделях КХД для
четырехкварковых и гибридных состояний мезонов;
- определение массы и ширины обнаруженных новых мезонных
состояний, получивших обозначения pi1(1400), pi1(1600), pi1(2000) для
квантовых чисел J(PC) = 1(- +), принятое международной издательской группой Particle
Data Group, и новая интерпретация этих мезонных состояний;
- доказательство резонансной природы обнаруженных
мезонных состояний с помощь анализа интерференции волн распада с разной четностью
и массовой зависимостью относительных фаз амплитуд распада; сравнение результатов
с данными других экспериментов, обнаруживших эти экзотические мезоны (при других
энергиях и в других реакциях), а также с предсказаниями теоретических моделей.
Эксперимент "Лидирующие частицы"
- Изучение
пространственно-временной картины адронизации кварков
в процессах множественного рождения адронов на ядрах в эксперименте
"Лидирующие частицы" (спектрометр СМС МГУ на ускорителе ЛВЭ ОИЯИ, Дубна):
- разработка метода анализа данных по адрон-ядерным реакциям для изучения
эволюции адронов на ранней стадии их существования (механизма адронизации), формулировка и развитие
концепции эксперимента для исследования поведения неустановившихся адронных состояний в
субъядерных масштабах и создание комплекса измерительной аппаратуры "Сцинтилляционный магнитный
спектрометр" (СМС-МГУ) на ускорителе ЛВЭ ОИЯИ для измерения характеристик процессов множественного
рождения адронов на ядрах с выделением на уровне триггера некогерентных каналов с заданной
передачей импульса мишени P;
- исследование эффекта каналирования релятивистских адронов
в изогнутом монокристалле кремния, в результате которого впервые экспериментально установлено,
что этот эффект имеет место как для протонов с импульсом 9 ГэВ/с, так и для ядер с импульсом 4.5
ГэВ/с на нуклон вплоть до Mg (в дальнейшем эффект использовался для технической организации
вывода на установку СМС МГУ пучка с малой светимостью);
- измерение коэффициентов поглощения адронов в ядерном веществе
в некогерентных каналах множественного рождения по относительному ослаблению "пучка" вторичных
лидирующих частиц, вылетающих в заданном интервале углов и импульсов из разных ядер (H, D, C,
Al, Cu, Sn, Pb), на основе которого установлено, что 1) перестройка кварковой структуры адронов
(или нарушение конфайнмента в существенно неупругих "мягких" взаимодействиях) не вызывает
возмущений на уровне свойств реальных частиц - или же эти возмущения проявляются за времена
t<0.01/m(pi) (m(pi) - масса пиона) и при энергиях 10-20 ГэВ не распространяются за пределы
"области взаимодействия" z~1/P порядка размеров нуклона и поэтому экспериментально не наблюдаемы,
2) некогерентная фрагментация протонов в указанной области энергий происходит в основном через
промежуточное связанное барионное состояние R (типа изобары или дифракционного кластера), которое
поглощается в ядерном веществе как обычный нуклон и распадается на наблюдаемые в конечном состоянии
адроны за пределами ядра-мишени; эти результаты проясняют динамику внутриядерного каскада, отличную
от предсказаний стандартной каскадной модели: каскадными частицами являются не конечные адроны, а
связанные промежуточные состояния R, число которых в каждом взаимодействии на нуклонах ядра
невелико, поэтому каскад в ядре развивается менее интенсивно;
- подготовка дальнейшего экспериментального исследования по решению двух вопросов,
возникших в ходе анализа полученных данных: 1) различию механизма генерации лидирующих пионов и
протонов в процессах их рассеяния на ядрах (прямое рождение или рождение через связанное,
барионное или мезонное, промежуточное состояние R), и 2) определению природы состояния R - резонанс
(изобара) или не-резонансное образование (дифракционный кластер) с непрерывным массовым спектром.
- Экспериментальное
исследование спиновых эффектов во взаимодействиях
поляризованных протонов с ядрами при энергиях порядка нескольких ГэВ на
синхрофазотроне и нуклотроне ЛВЭ ОИЯИ (Дубна):
- разработка методики формирования и контроля пучков
поляризованных протонов и постановка в рамках проекта "Лидирующие частицы"
на установке
"СМС МГУ" ряда экспериментов, в которых пучок поляризованных протонов
впервые на синхрофазотроне ЛВЭ ОИЯИ использовался в качестве первичного;
- измерение анализирующей способности протон-углеродного рассеяния при
энергиях от 0.71 до 3.61 ГэВ и исследование на экспериментальной установке
"СМС МГУ" поляризационных эффектов в различных каналах протон-углеродного
взаимодействия, в том числе исследование зависимости анализирующей способности
от доли импульса, уносимой лидирующей частицей;
- создание Монте-Карло программы моделирования ядерных поляриметров,
работающих в области энергий порядка нескольких ГэВ, и оптимизация с ее
помощью ряда существующих и проектируемых экспериментов;
- модельно-теретический анализ эффекта подавления анализирующей
способности в ядерной материи;
- разработка методики совместного эксперимента "СМС МГУ - СФЕРА" по
изучению подавления анализирующенй способности в квазиупругом
протон-ядерном рассеянии;
- измерение анализирующих способностей реакций квазиупругого рассеяния
протонов на различных ядрах при энергиях 2.5 - 3.0 ГэВ с разделением
каналов рассеяния на внутриядерных протонах и нейтронах;
- модельный анализ экспериментальных данных по
анализирующей способности квазиупругого рассеяния
поляризованных протонов на внутриядерных нуклонах ядер
углерода и меди при энергиях 2.5-3.6 ГэВ, полученных в
экспериментах "СМС МГУ" и "СМС МГУ - СФЕРА" на
синхрофазотроне ОИЯИ;
- сравнение полученных экспериментальных данных по
подавлению анализирующей способности в квазиупругом pp- и
pN-рассеянии с предсказаниями моделей, основанных на
различных представлениях относительно модификации нуклона в
плотной ядерной материи;
- подготовка эксперимента на нуклотроне ОИЯИ по
измерению А-зависимости подавления анализирующей
способности в квазиупругом протон-ядерном и дейтрон-ядерном
рассеянии при энергиях 1-2 ГэВ: оптимизация
экспериментальной установки и Монте-Карло моделирование
эксперимента.
Теоретические исследования
- Разработка
моделей ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях:
- моделирование коллективных ядерных эффектов (продольные,
радиальные и анизотропные потоки адронов) в рамках
гидродинамического подхода;
- моделирование перерасеяния и потерь энергии жестких
партонов (безмассовых кварков и глюонов, массивных кварков) в
плотной и высокотемпературной КХД-материи;
- создание генераторов событий множественного
рождения партонов и адронов в соударениях релятивистских
ядер (Монте-Карло модели PYQUEN, HYDJET, HYDJET++),
оптимизация разработанных генераторов и их параметров на
основе сопоставления модельных расчетов с доступными
ускорительными данными по спектрам адронов в соударениях
тяжелых ионов (RHIC, LHC);
- модельный анализ чувствительности различных
физических наблюдаемых в соударениях тяжелых ионов к
свойствам образованной плотной материи и динамике
кварк-адронных фазовых переходов (спектры адронов, струй,
фотонов и дилептонов, потоковые и корреляционные эффекты).
|
Руководитель:
|
д.ф.-м.н., зав.лаб. А.И.Демьянов |
|
Основные исполнители:
|
д.ф.-м.н., профессор В.Л.Коротких;
д.ф.-м.н., в.н.с. И.П.Лохтин;
д.ф.-м.н., в.н.с. А.М.Снигирев;
к.ф.-м.н., в.н.с. О.Л.Кодолова;
к.ф.-м.н., с.н.с. И.Н.Варданян;
к.ф.-м.н., с.н.с. А.М.Грибушин;
к.ф.-м.н., с.н.с. А.А.Ершов;
к.ф.-м.н., с.н.с. В.И.Клюхин;
к.ф.-м.н., с.н.с. Л.В.Малинина;
к.ф.-м.н., с.н.с. С.В.Петрушанко;
к.ф.-м.н., н.с. Е.Е.Забродин;
к.ф.-м.н., н.с. Г.Х.Эйюбова;
к.ф.-м.н., главный инженер проекта Н.А.Круглов;
м.н.с. А.В.Беляев;
м.н.с. А.А.Каминский;
м.н.с. С.В.Образцов;
инженер Т.П.Завражнова;
инженер Н.П.Карпинская.
|
Основные публикации
