Ядерные эффекты в жестких взаимодействиях адронов и лептонов с ядрами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Ядерные эффекты в жестких взаимодействиях адронов и лептонов с ядрами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Бердников Ярослав Александрович Официальные оппоненты: Рябов Виктор Германович

доктор физико-математических наук, ФГБУ Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, НИЦ Курчатовский институт, в.н.с. лаборатории релятивистской ядерной физики Феофилов Григорий Александрович кандидат физико-математических наук, доцент, НИИ физики им. В.А. Фока физического факультета ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий Ведущая организация: Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Защита состоится « 19 » декабря 2012 года в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.229.29 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, главное здание, ауд. 118. С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет». Автореферат разослан «($"» ноября 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.29 кандидат физико-математических наук

доцент Ермакова Наталья Юрьевна

Актуальность темы диссертации

Процесс перехода кварков и глюонов в адроны - адронизация, является наиболее интересной частью непертурбативной квантовой хромодинамики (КХД). Использование ядер в качестве мишеней в соударениях с частицами высоких энергий позволяет обнаружить важные особенности пространственно-временной картины адронизации, включающей длину формирования адронов, энергетические потери налетающих и образовавшихся частиц, многократные мягкие перерассеяния, изменение структурных функций внутриядерных нуклонов и др.

Понимание процесса распространения кварков в ядерной среде важно для физической интерпретации данных экспериментальных исследований столкновений, как ультрарелятивистских тяжелых ионов для поиска новых состояний кварк-глюонной материи, так и протонов и лептонов с ядрами при высоких энергиях.

Для анализа данных экспериментальных исследований столкновений частиц с ядрами и планирования будущих экспериментов необходима детальная информация о процессах образования частиц в лептой- и адрон- ядерных соударениях при высоких энергиях. Получить такого рода информацию позволяет Монте-Карло (МК) моделирование изучаемых процессов.

В настоящей работе предложена МК модель жестких лептон-ядерных и адрон-ядерных соударений. В работе рассматриваются такие эффекты, как мягкие перерассеяния и энергетические потери налетающих и образующихся адронов, а также составляющих их кварков. В работе используется модель адронизации с двумя стадиями, реализованная в МК генераторе HARDPING (HARD Probe INteraction Generator). Первая - пертурбатнвная, в которой кварк, рожденный в жестком процессе, распространяется через ядро с пренебрежимо малым сечением взаимодействия. На этой стадии кварк теряет энергию за счет излучения гюонов, описываемого пертурбативной КХД (аналог эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала в квантовой электродинамики). Вторая стадия - непер-турбативная, на этой стадии потери энергии анализируются с использованием

модели струн, созданной Т. Сьёстрандом и др. [J. High Energy Phys. - 2006. -Vol. 0605.-P. 026-599].

Работа поддержана в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы. Цели диссертационной работы

Основной целью диссертационной работы является исследование процесса образования адронов в жестких адрон-ядерных и лептон-ядерных взаимодействиях при высоких энергиях с использованием созданной МК модели HARDPING.

Задачи диссертационной работы

Задачами диссертационной работы являются:

- разработка Монте-Карло генератора жестких столкновений лептонов и адронов с ядрами с учетом, как мягких многократных перерассеяний и соответствующих энергетических потерь налетающих и образовавшихся адронов, так и длины формирования адронов и составляющих их кварков.

- исследование отношений сечений рождения лептонных пар в жестких адрон-ядерных взаимодействиях.

- исследование зависимости отношения дифференциальных сечений рождения адронов в процессе глубоконеупругого рассеяния лептонов на ядрах. Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Показано, что мягкие перерассеяния и энергетические потери образовавшихся адронов и составляющих их кварков, а также длина их формирования, играют определяющую роль в процессе глубоконеупругого рассеяния лептонов на ядрах. Созданная МК модель, учитывающая перечисленные выше эффекты, позволяет описать имеющиеся экспериментальные отношения дифференциальных сечений рождения адронов на различных ядрах, как функции квадрата поперечного импульса адрона, энергии переданной лептоном кварку и доли энергии, переданной лептоном кварку, а затем образовавшемуся адрону.

2. Показано, что мягкие перерассеяния и энергетические потери кварков налетающего адрона играют важную роль в процессе Дрелла-Яна на ядрах.

Учет этих эффектов позволяет описать имеющиеся экспериментальные отношения дифференциальных сечений рождения лептонных пар на различных ядрах, как функции поперечного импульса пары.

3. Созданная МК модель, учитывающая многократные мягкие неупругие перерассеяния, энергетические потери и длину формирования адронов и составляющих их кварков, позволила определить значение удельных потерь энергии, величина которых составила 1,7 ГэВ/фм. Научная и практическая ценность

Полученные результаты рекомендуется использовать при анализе экспериментальных данных и поиске новых физических явлений, на существующих в настоящее время и планируемых в будущем крупнейших ускорителях мира:

• CERN: эксперименты CMS, ATLAS и ALICE на большом адронном кол-лайдере (БАК);

• FNAL: эксперименты с инжекторными протонными пучками с ядерными мишенями;

• BNL: эксперименты по столкновению релятивистских ядер PHENIX, STAR, PHOBOS и BRAHMS на ускорителе RH 1С;

• GSI: планирующиеся эксперимент СВМ, PANDA и NUSTAR на строящемся ускорителе FAIR;

• ИФВЭ: эксперименты с пучками ядер ускорителя У-70

• ОИЯИ: эксперименты на существующем ускорителе NUCLOTRON и на планируемом ядро-ядерном коллайдере NICA

Основные положения, выносимые на защиту

1. Учет энергетических потерь и многократных мягких перерассеяннй адронов и составляющих их кварков до жесткого взаимодействия позволяет описать отношения сечений рождения лептонных пар в процессе Дрелла-Яна на ядрах для различных ядер, как функцию поперечного импульса и доли 4-е импульса налетающего протона, которую несет партон.

2. Учет энергетических потерь, многократных мягких перерассеяний и длины формирования адронов после жесткого взаимодействия позволяет описать отношения выходов частиц, образовавшихся в результате глубоконеупругого рассеяния заряженных лептонов на различных ядрах в зависимости от квадрата поперечного импульса, энергии переданной лептоном кварку и доли этой энергии, унесенной образовавшимся адроном.

3. Величина удельных потерь энергии кварков налетающих адронов в ядерной среде в случае процесса рождения лептонных пар (Дрелл-Ян) и в процессах рождения адронов в глубоконеупругом рассеянии заряженных лептонов на ядрах составляет 1,7 ГэВ/фм и не зависит от начальной энергии адронов, что позволяет описать существующие экспериментальные данные.

4. Создана МК модель адронизации в ядерной среде, учитывающая эффект Ландау-Померанчука-Мигдала в КХД, связанный с тем, что кварк, образовавшийся в жестком процессе, испускает глюоны не из точки жесткого взаимодействия, а с некоторого отрезка (длины формирования). Показано, что Монте-Карло модель учитывающая этот эффект описывает экспериментальные данные по отношению выходов адронов, рожденных в лептон-ядерных столкновениях. Публикации

По результатам настоящей диссертационной работы опубликовано четыре печатные работы [1, 2, 3, 4] в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, рекомендованные Высшей аттестационной комиссией («Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета», Nuclear Physics В Proceeding Supplement, журнал «Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики»). Апробация работы

Автором представлены результаты диссертационной работы на конференции «Hadron Structure 2011» (Штрба, Словакия), научной сессии-

конференции секции ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодей-

ствий» (Москва, 2011), конференции «Hadron Structure and Quantum Chromody-namics» (Гатчина, 2012) Содержание и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 105 страниц машинописного текста, в том числе 50 рисунков. Список литературы содержит 65 наименований. Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы проведенного исследования, сформулированы цели диссертации. Показана научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Дано краткое изложение содержания её разделов.

Первая глава носит обзорный характер. Она содержит обзор современной литературы по теме диссертационной работы. Содержит описание основных изучаемых процессов. Описаны наиболее распространенные модели рождения частиц в адрон-ядерных столкновениях, а также глубоконеупругого рассеяния заряженных лептонов на ядрах, описаны их достоинства и недостатки.

В ней описаны процессы, которые дают основной вклад в спектры частиц, рождающихся в жестких адрон-ядерных и лептон-ядерных соударениях. Приведены реакции, которые будут использоваться в данной работе, как для определения параметров модели, так и демонстрации работы созданной Монте-Карло модели жестких лептон-ядерных и адрон-ядерных соударений. Это реакции глубоконеупругого рассеяния лептонов на ядрах, реакция Дрелла-Яна на ядрах с образованием лептонных пар и процесс рождения адронов в жестких адрон-ядерных соударениях. Выделение реакции Дрелла-Яна с рождением леп-тонной пары и процессов глубоконеупругого рассеяния лептонов на ядрах с рождением адронов позволяет отдельно изучать процессы взаимодействия адронов и составляющих их кварков с ядерной средой в начальном состоянии (до жесткого рассеяния) и процессы образования адронов и составляющих их кварков, а также прохождение их через ядро в конечном состоянии (после жесткого

рассеяния). Также в этой главе приведены наиболее распространенные модели, изучаемых процессов.

Во второй главе приведены основные модели рождения адронов в жестких процессах, особое внимание уделено процессу адронизации, приведены преимущества и недостатки этих моделей. Описана Монте-Карло модель адронизации, созданная в рамках данной работы. Показано отличие в длине формирования и приведены расчеты длины формирования для различных моделей.

В этой главе более подробно описан процесс адронизации и формирования адронов, в частности рассматривается эффект Ландау-Померанчука-Мигдала в КХД, который связан с тем, что кварк, образовавшийся в жестком процессе, испускает тормозные глюоны не из точки жесткого процесса, а с некоторого отрезка - длины формирования. Пока кварк не пройдет этот путь он является почти точечной частицей и имеет пренебрежимо малое сечение взаимодействия с ядерной средой и, следовательно, проходит через ядро не взаимодействуя. В зависимости от кинематики, формирование адронов и составляющих их кварков может завершаться, как внутри ядра, так и за его пределами.

В этой главе приведены основные модели, позволяющие рассчитать длину формирования. Это подход, основанный на методах пертурбатнвной КХД, в котором эффекты непертурбативной КХД сильно упрощены, и подход, основанный на модели фрагментации струн Лундского университета, в котором учтены эффекты непертурбативной КХД, но не учитываются эффекты на пер-турбативное излучение на ранних стадиях адронизации. В этих подходах используется модель адронизации, состоящая из двух стадий. На первом этапе, в результате разрыва струны, формируется бесцветное состояние - пред-адрон (цветовой диполь), предшественник конечного адрона, сечение взаимодействия которого с нуклонами ядра, вообще говоря, неизвестно. На втором этапе из этого пред-адрона формируется конечный наблюдаемый адрон /;.

В первом подходе потери энергии на пертурбативное излучение, следуя работам Копелёвича Б.З. и др. [5, 6], могут быть записаны в следующем виде:

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎