CC BY
14
УДК 539.125.17; 539.126.17
А.Я. Бердников, А.В. Головин, Д.А. Иванищев, Д.О. Котов, В.Г. Рябов, Ю.Г. Рябов
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ПОТОКА ЧАСТИЦ, СОДЕРЖАЩИХ ТЯЖЕЛЫЕ КВАРКИ, В СТОЛКНОВЕНИЯХ ЯДЕР ЗОЛОТА ПРИ ЭНЕРГИИ 200 ГэВ
A.Ya. Berdnikov ', A.V. Golovin 2, D.A. Ivanishchev3, D.O. Kotov4, V.G. Riabov5, Yu.G. Riabov6
',24 St. Petersburg State Polytechnical University, 29 Politekhnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russia. 3 5, 6 B.P. Konstantinov Petersburg Nuclear Physics Institute, Orlova Roscha, Gatchina, 188300, Russia.
ELLiPTiC FLOW MEASUREMENT OF PARTiCLES CONTAiNiNG HEAVY QUARKS iN Au+Au COLLiSiONS AT 200 GeV
Представлены результаты измерения величины эллиптического потока для частиц, содержащих тяжелые кварки, в столкновениях ядер золота при энергии 200 ГэВ. Обсуждаются попытки теоретического описания ненулевой величины эллиптического потока для частиц, содержащих тяжелые кварки.
КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА. ЭЛЛИПТИЧЕСКИЙ ПОТОК. ТЯЖЕЛЫЕ КВАРКИ. АНАЛИЗ.
Elliptic flow results measured in Au+Au collisions at = 200 GeV for heavy flavour electrons have
been presented for different centralities of interaction. Few theoretical approaches to explain non-zero value of elliptic flow for heavy quarks have been discussed.
QUARK-GLUON PLASMA. ELLIPTIC FLOW. HEAVY QUARKS. ANALYSIS.
Экспериментальные результаты, полученные на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) к настоящему времени, указывают на образование плотной и горячей партон-ной материи в центральных столкновениях ядер золота при энергии 200 ГэВ [1, 2]. Подавление выходов легких адронов в области больших поперечных импульсов p t указывает на то, что партоны, проходя через плотную среду, теряют в ней часть своей энергии, а наличие эллиптического потока (v2) говорит о том, что коллективное движение партонов развивается на самых ранних стадиях взаимодействия. Данное наблюдение находится в согласии с расчетами гидро-
динамических моделей. Сравнение величины у2 с теоретическими предсказаниями говорит о том, что вещество, полученное на коллайдере КИЮ, представляет собой практически идеальную жидкость, которая обладает предельно малым отношением вязкости к плотности энтропии [3].
Дальнейшее развитие научных исследований в данной области может быть связано с измерением выходов частиц, содержащих в себе тяжелые кварки (с или Ь). Согласно эффекту «мертвого конуса» [4] считается, что величина энергетических потерь тяжелых кварков должна быть меньше, чем для легких. В связи с этим ожидается уменьшение как степени подавления выходов
частиц, содержащих тяжелые кварки, так и эллиптических потоков тяжелых кварков по сравнению с легкими.
В настоящей статье представлены результаты измерений эллиптического потока для электронов от распадов частиц, содержащих тяжелые кварки, во взаимодействиях ядер золота при энергии 200 ГэВ. Увеличение объема данных более чем в 10 раз, по сравнению с ранее доступными результатами [5], позволило значительно увеличить диапазон измерения величины эллиптического потока у2 по поперечному импульсу р.. Все измерения выполнены на экспериментальной установке ФЕНИКС [6], расположенной на коллайдере КИЮ [7].
Методика измерений
Изучение процессов рождения тяжелых кварков можно проводить через прямые измерения выходов Б- и 5-мезонов в каналах распада (К + п) и (//у + К) соответственно. К сожалению, данный подход невозможно использовать в эксперименте ФЕНИКС, который не способен определять координаты точки распада долгоживущих Б- и 5-мезонов. Процессы рождения тяжелых кварков изучаются путем измерения выходов лептонов от полулептонных распадов частиц, содержащих в себе указанные кварки. Вероятности этих распадов достаточно велики (составляют около 10 %), что позволяет проводить высокоточные измерения выходов лептонов. Нужно отметить, что при изучении взаимодействий тяжелых ядер подобный подход выигрывает перед прямым измерением выходов Б-и 5-мезонов, при использовании которого неизбежно требовалось бы работать с высокими уровнями комбинаторных фонов.
Состав и основные характеристики установки ФЕНИКС описаны в работе [6]. Треки заряженных частиц восстанавливаются с помощью дрейфовых и падовых камер. Характерное импульсное разрешение детектора составляет (в процентах)
8рр = 0,7 + 1,1( р/р0),
где р0 = 1,0 ГэВ/с.
Для идентификации электронов (или позитронов) используется черенковский
детектор кругового действия (RICH) и электромагнитный калориметр (EMC). Для эффективной регистрации электронов необходимо разделять электроны и адроны на уровне 10-4 в области поперечных импульсов 0,2 < pt (ГэВ/с) < 4.
Основной вклад в идентификацию электронов вносит RICH в области импульсов ниже порога черенковского излучения для п-мезонов, составляющего около 4 ГэВ/с в рабочем газе детектора (углекислый газ). Конструкция подсистемы RICH состоит из 48 панелей композитных зеркал, образующих две пересекающиеся сферические поверхности с общей площадью, равной 20 м2 [8]. Сферические зеркала фокусируют черенковский свет на два массива фотоумножителей (1280 штук, HAMAMATSU H3171S), расположенных за пределами активного объема центральных спектрометров.
Сравнение энергий и импульсов электронов, измеренных в ЕМС и центральной трековой системе, позволяет подавить около 90 % всех адронов в области поперечных импульсов pT > 1 ГэВ/с.
На рис. 1 схематически представлено взаимодействие двух тяжелых ядер. Первоначальная область перекрытия ядер при ненулевом прицельном параметре имеет эллиптическую форму. В процессе терма-лизации рожденного вещества из-за про-
Рис. 1. Схематичное изображение нецентрального взаимодействия двух тяжелых ядер. Область перекрытия (в центре) обладает миндалевидной формой, в которой формируются градиенты давления
Рис. 2. Зависимость величины эллиптического потока у2 от поперечного импульса рт заряженных (1) и нейтральных (2) п-мезонов, а также электронов от распадов частиц, содержащих тяжелые кварки (3)
странственной анизотропии системы создаются градиенты давления: максимального вдоль меньшей оси эллипса и минимального вдоль его большей оси. В результате азимутальное импульсное распределение частиц становится анизотропным. Количественно эллиптический поток у2 характеризуется вторым коэффициентом в разложении в ряд Фурье распределения частиц по азимутальному углу относительно плоскости реакции.
Величина эллиптического потока у2 для частиц, содержащих тяжелые кварки, вычисляется путем измерения инклюзивного эллиптического потока у2 для всех электронов, вылетающих из области взаимодействия ядер, и последующего вычитания из полученного значения у2 теоретически рассчитанных фоновых вкладов от Далиц-распадов, конверсий на материале пучковой трубы, полулептонных распадов ^-мезонов и диэлектронных распадов легких мезонов.
Результаты
На рис. 2 представлена зависимость величины у2 от поперечного импульса р,, полученная для заряженных и нейтральных п-мезонов и электронов от полулептон-ных распадов частиц, содержащих тяжелые кварки, в центральных взаимодействиях ядер золота при энергии 200 ГэВ.
Тяжелые кварки также участвуют в коллективном движении и обладают ненулевой
величиной эллиптического потока в области малых поперечных импульсов. Величина эллиптического потока для тяжелых кварков оказалась сопоставима с потоком для частиц, которые состоят из легких.
В работе [9] показано, что возможно количественное описание большой величины эллиптического потока у2 для электронов от распадов частиц, содержащих тяжелые кварки, при помощи модифицированного уравнения Ланжевена. Согласно предложенной модели, тяжелые нерелятивистские кварки находятся в тепловой среде, в которой их перемещения описываются как некоррелированные акты упругого рассеяния. Основным параметром модели является коэффициент диффузии тяжелых кварков. Еще одна модель, основанная на уравнении Ланжевена [10], вводит связь между упругим рассеянием тяжелых кварков и возбужденными состояниями Б- и 5-мезонов в партонной среде. На присутствие этих состояний указывают расчеты квантовой хро-модинамики (КХД) на решетке. На рис. 3 представлены теоретические описания наблюдаемых результатов.
Расчеты, представленные авторами [11], указывают на возможность описать ненулевую величину эллиптического потока, наблюдаемую для тяжелых кварков, через процесс диссоциации Б- и 5-мезонов в партонной среде. При этом энергетические потери тяжелых кварков в результате этой
Рис. 3. Результаты расчетов зависимости от поперечного импульса эллиптического потока у2 для частиц, содержащих тяжелые кварки, во взаимодействиях ядер золота при энергии 200 ГэВ. Использованы модели из работ [10] (1) и [9] (2, 3)
диссоциации становятся чувствительными как ко времени формирования партонной материи, так и к динамике расширения горячего партонного вещества в целом.
Сложности в данной области связаны, в частности, и с тем, что все измерения эксперимента ФЕНИКС представляют собой смесь электронов от распадов Б- и 5-мезонов. Известно, что масса с-кварка меньше массы ¿-кварка и, следовательно, стоит ожидать различного поведения для этих двух типов элементарных частиц. Разделить вклады от с- и ¿-кварков можно, если использовать различные времена жизни Б- и 5-мезонов и измерять координату точки распада. Для этого в эксперимент ФЕНИКС была имплементирована новая детекторная подсистема УТХ [12], с которой уже начинают поступать первые результаты.
В настоящей статье представлены результаты измерения величины эллиптического потока для частиц, содержащих
тяжелые кварки, во взаимодействиях ядер золота при энергии 200 ГэВ.
Для частиц, содержащих в своем составе тяжелые с- и ¿-кварки, обнаружена ненулевая величина эллиптического потока у2, которая количественно согласуется с поведением величины у2 для частиц, состоящих из легких кварков. Теоретические модели, базирующиеся на уравнении Ланжевена, позволяют описать наблюдаемую зависимость величины эллиптического потока от поперечного импульса частиц, варьируя значение параметра модели — коэффициента диффузии тяжелых кварков.
Существенное улучшение точности измерений ожидается в результате имплемен-тации дополнительной детекторной подсистемы УТХ, которая позволит определять координату вершины распада долгоживу-щих Б- и 5-мезонов.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.1300.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adcox, K. Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC: Experimental evaluation by the PHENIX collaboration [Text] / K. Adcox, V. Riabov, Y. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Nucl. Phys. A. - 2005. - Vol. 757. - P. 184-283.
2. Adcox, k. Suppression of hadrons with large transverse momentum in central Au+Au collisions
at -\Isnn = 130 GeV [Text] / K. Adcox, V. Riabov, Y. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Phys. Rev. Lett.
- 2001. - Vol. 88. - P. 022301-022307.
3. Kovtun, P.K. Viscosity in strongly interacting quantum field theories from black hole physics [Text] / P.K. Kovtun, D.T. Son, A.O. Starinets // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol. 94. - P. 111601111610.
4. Dokshitzer, Y.L. Heavy quark colorimetry of QCD matter. [Text] / Y.L. Dokshitzer, D.E. Kharzeev // Phys. Lett. B. - 2001. - Vol. 519. - P. 119-134.
5. Adler, s.s. Centrality dependence of charm production from single electrons in Au+Au collisions at 200 GeV [Text] // S.S. Adler, V. Riabov, Y. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Phys. Rev. Lett.
- 2005. - Vol. 94. - P. 082301-082305.
6. Adcox, K. PHENIX detector overview [Text] / K. Adcox, V. Riabov, Y. Berdnikov [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2003. -Vol. 499.
- P. 469-479.
7. Baym, G. RHIC: From dreams to beams in two decades [Text] / G. Baym // Nucl. Phys. A.
- 2002. - Vol. 698. - P. 23-32.
8. Aizawa, M. PHENIX central arm particle I.D. detectors [Text] / M. Aizawa, Y. Akiba, R. Begay [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2003.
- Vol. 499. - P. 508-520.
9. Moore, G.D. How much do heavy quarks thermalize in a heavy ion collision? [Text] / G.D. Moore, D. Teaney // Phys. Rev. C. - 2005.
- Vol. 71. - P. 064904-064938.
10. Rapp, R. Heavy-quark probes of the quark-gluon plasma and interpretation of recent data taken at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider [Text] / R. Rapp, H. Hees, V. Greco // Phys. Rev. C.
- 2006. - Vol. 73. - P. 034913-034917.
11. Adil, A. Collisional dissociation of heavy mesons in dense QCD matter [Text] / A. Adil, I. Vitev // Phys. Lett. B. - 2007. - Vol. 649.
- P. 139-146.
12. Akiba, Y. Status and performance of new silicon stripixel detector for the PHENIX experiment at RHIC: Beta source, cosmic-rays and proton beam at 120 GeV [Text] / Y. Akiba, R. Noucier, K. Boyle [et. al] // J. of instrumentation. - 2009. - Vol. 4.
- P. 04011-04024.
БЕРДНИКОВ Александр Ярославич — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры экспериментальной ядерной физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 berdnikov@spbstu.ru
ГОЛОВИН Алексей Владиславович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры экспериментальной ядерной физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29
ИВАНИЩЕВ Дмитрий Александрович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории релятивистской ядерной физики отделения физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова.
188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща ivanishchev@gmail.com
КОТОВ Дмитрий Олегович — кандидат физико-математических наук, ассистент кафедры экспериментальной ядерной физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 dm_kotov@phmf.spbstu.ru
РЯБОВ Виктор Германович — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории релятивистской ядерной физики отделения физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова.
188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща riabovvg@gmail.com
РЯБОВ Юрий Германович — доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории релятивистской ядерной физики отделения физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова.
188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща yuriy.riabov@gmail.com
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
