16 ноября 2020

Физики ОИЯИ приняли участие в эксперименте по изучению свойств релятивистских атомных ядер в ЦЕРНе

ОИЯИ ОИЯИ

Программа научно-исследовательских работ эксперимента NA61/SHINE включает несколько направлений и является продолжением исследований на установке NA49, нацеленных на поиск критической точки сильновзаимодействующей ядерной материи в релятивистских ядро-ядерных столкновениях и детальное исследование начала деконфайнмента, т. е. поиск и исследование перехода между двумя фазами сильновзаимодействующей материи; измерения сечений выхода заряженных адронов для нейтринной физики; измерения сечений в адрон-ядерных реакциях для физики космических лучей; измерение выхода очарованных кварков в столкновениях ядер свинца при энергиях SPS.

Поиск критической точки сильновзаимодействующей материи ведется в эксперименте NA61/ SHINE путем сканирования фазовой диаграммы как по температуре, так и по барионному химическому потенциалу в процессе проведения измерений при различных энергиях и в исследованиях зависимостей от размеров сталкивающихся систем. Последнее достигается путем изменения типа используемых ядер и исследования столкновений в различных областях центральности.

В эксперименте NA61/SHINE помимо обычных распределений множественности и поперечного импульса частиц исследуются также пособытийные флуктуации так называемых сильноинтенсивных величин. Последние представляют собой комбинации первых и вторых моментов распределений таких физических величин, как множественность, поперечные импульсы вторичных частиц и энергии непровзаимодействовавших нуклонов-спектаторов.

Самые последние результаты относятся к свойствам образованных частиц, а также к событийным флуктуациям во взаимодействиях протон–протон, Be + Be и Ar + Sc при энергиях пучков 19A, 30A, 40A, 75A и 158A ГэВ/c. Проанализированы предварительные результаты по заряженным каонам в Ar + Scвзаимодействиях с центральностью в 10%.

На рисунке показано текущее состояние динамических свойств энергетической зависимости отношения выхода каонов к пионам и параметра наклона спектров каонов по поперечной массе, хорошо известных как «step»- и «horn»-структуры. В столкновениях Pb + Pb такие структуры были предсказаны за счет образования смешанной фазы адронного газа (HG) и кварк-глюонной плазмы (QGP). Обнаружена быстрая смена «horn» в энергетической зависимости K/π в центральных столкновениях Pb + Pb и Au + Au, что интерпретируется как обусловленное началом деконфайнмента в ядерных взаимодействиях, т. е. переходом от HG к QGP. В эксперименте NA61/SHINE эти данные дополнились новыми измерениями в реакциях p + p, Be + Be и Ar + Sc, в которых проявляются неожиданные и очень интересные особенности.

Вкратце они состоят в следующем: энергетическая зависимость параметра наклона в p + p-взаимодействиях имеет форму плато «step»; данные по Be + Be-столкновениям близки к результатам для p + p-взаимодействий; данные по взаимодействиям Ar + Sc проявляют зависимость от энергии столкновения, качественно аналогичную данным в реакции p + p, но плато находится на значительно более высоком уровне.

Результаты для p + p-взаимодействий, полученные в эксперименте NA61/SHINE, были рассмотрены как указание на возможность проявления деконфайнмента в малых системах.

Группа сотрудников из ЛФВЭ ОИЯИ внесла большой вклад в получение представленных выше экспериментальных данных, в частности в получение спектров вторичных частиц и проведение калибровки времяпролетной системы, которая ранее была разработана и создана в ОИЯИ. Сотрудники из ЛЯП активно участвовали в программе эксперимента NA61 по измерению сечений выхода заряженных адронов для нейтринной физики. Физиками ОИЯИ также были выполнены оригинальные работы, в которых использовался разработанный ранее А. М. Балдиным подход к исследованию релятивистских ядерных взаимодействий в пространстве четырехмерных скоростей [6]. Следует отметить, что принципы подобия и автомодельности оказались очень плодотворными при изучении ядерных взаимодействий при высоких энергиях.

В 2018 г. программным комитетом ЦЕРН была одобрена новая физическая программа эксперимента NA61/SHINE после 2021 г., которая дополнительно включает в себя исследование образования D-мезонов в столкновениях ядер свинца при энергии 150A ГэВ [9].

 

В 2019 г. на установке NA61/SHINE в ЦЕРН начата модернизация практически всех детекторных систем этой установки, которая необходима для проведения экспериментов после 2020 г. при увеличении более чем в 10 раз интенсивности пучка ионов свинца, а следовательно, и скорости срабатывания триггера.

Группа сотрудников из ОИЯИ ответственна за модернизацию времяпролетной системы установки. Предыдущая времяпролетная система идентификации частиц состояла из двух стенок, содержащих 891 сцинтилляционный детектор каждая. Одна стенка была создана в ОИЯИ. Временное разрешение в среднем составляло 75 пс, что позволяло отделять каоны от пионов вплоть до импульса 8 ГэВ/с. После 20 лет работы большинство частей системы потребовали бы существенной реконструкции. В связи с этим было решено заменить старую систему на новый детектор, основанный на многозазорных резистивных камерах (MRPC) [10], что стало возможным благодаря финансовой поддержке этой работы дирекцией ОИЯИ.

На SPS в ЦЕРН были проведены три испытания детекторов MRPC: в декабре 2016 г. с использованием протонного пучка 30A ГэВ/с, в августе 2018 г. в ореоле протонного пучка 150A ГэВ/с и в ноябре 2018 г. с использованием пучка Pb 150A ГэВ/с.

Данные, полученные в эксперименте NA61/SHINE, крайне важны для построения теории взаимодействий релятивистских ядер. Они широко используются для планирования экспериментов на комплексе MPD/NICA.

Однако, как можно видеть по полученным физическим результатам, представленным выше, еще остается много нерешенных вопросов в области взаимодействий релятивистских ядер. Таким образом, продолжение исследований на установке NA61 в следующий период работы ускорительного комплекса ЦЕРН является чрезвычайно важным. Также важны эксперименты, планируемые на комплексе NICA в ОИЯИ, которые помогут дополнить проводимые исследования и существенно продвинуться в понимании процессов взаимодействия релятивистских ядер.

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) был создан на основе Соглашения, подписанного 26 марта 1956 г. в Москве представителями правительств одиннадцати стран-учредителей, с целью объединения их научного и материального потенциала для изучения фундаментальных свойств материи. Институт расположен в Дубне, в 120 км от Москвы, в Российской Федерации. Сегодня Объединенный институт ядерных исследований является всемирно известным научным центром, в котором фундаментальные исследования (теоретические и экспериментальные) успешно интегрированы с разработкой и применением новейших технологий и университетским образованием. Членами ОИЯИ являются 18 государств.