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 режимах экстремально высоких плотностей энергии и температур, достигаемых в соударениях адронов и ядер высоких энергий.

 Основное содержание работ - подготовка к вводу в эксплуатацию и поддержка функционирования различных детекторных подсистем ускорительных экспериментов (MPD, 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 проводилась в рамках 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 (7-13.6 ТэВ в системе центра масс для протон-протонных соударений и 2.76-5.36 ТэВ на пару нуклонов для соударения ионов свинца), позволяют изучать свойства многопартонных систем и предсказываемые КХД новые, экстремальные физические состояние таких систем (слабо- или сильно-взаимодействующая кварк-глюонная материя, вязкая кварк-глюонная жидкость, идеальный или неравновесный партонный газ,...). Кроме того, проведен поиск 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 которого обнаружено несколько кандидатов в экзотические мезоны (результаты вошли в публикации международной издательской группы Particle Data Group). Еще одной важной задачей было 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). В настоящее время приоритетным направлением работ является участие в эксперименте MPD на коллайдере NICA в ОИЯИ.

 Работы проводятся в Лаборатории сильных взаимодействий ЛСВ Отдела экспериментальной физики высоких энергий ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ.

 Основные направления исследований, в которых получены значительные результаты.

Эксперимент MPD

1. Изучение зарядовых корреляций и флуктуаций адронов в соударениях тяжелых ионов на коллайдере NICA, разработка и усовершенствование соответствующего программного обеспечения для анализа данных.


2. Моделирование распределения магнитного потока на установке MPD, разработка и усовершенствование карт магнитного поля установки.



Эксперимент CMS

3. 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.
   
   
4. 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).
   
   
5. 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

6. 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"

7. 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.
   
   
8. 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

9. 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 и усовершенствование 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).