Введение к работе
Актуальность темы исследования. Ведущиеся в настоящее время и планируемые в недалеком будущем эксперименты по столкновениям тяжелых ионов мотивируют активность теоретических исследований в этой области. Ожидается, что в столкновениях тяжелых ядер при сверхвысоких энергиях на короткое время возможно образование нового состояния материи - горячей кварк-глюонной плазмы.
Вообще говоря, спектр частиц, рожденных в ядро-ядерных столкновениях является следствием множества механизмов, часть из которых в настоящий момент достаточно детально разработана. В жесткой области среди основных выделяются механизмы, связанные с многократным перерассеянием, модификацией партонных функций распределения а также квен-чинг (или гашение струй). В мягкой области в ядро-ядерных столкновениях новые механизмы в рождении частиц связаны со взаимодействием цветных кварк-глюонных струн, возможно, с последующим образованием кварк-глюонной плазмы, на поиски которой в основном и направлены проводящиеся в настоящий момент эксперименты.
Для того, чтобы в эксперименте выделить эффекты, связанные с образованием кварк-глюонной плазмы на фоне тривиальных, имеющих место также и на уровне нуклон-нуклонных взаимодействий, необходимо детальное теоретическое исследование последних, в том числе и на уровне ядро-ядерных взаимодействий.
При этом для полного заключения о важности тех или иных процессов знания только одночастичных инклюзивных сечений оказывается недостаточно. Дважды инклюзивные сечения, содержащие больше информации о процессе взаимодействия, вызывают в этом плане значительный интерес. При этом возникающие здесь нетривиальные вклады соответствуют дальним по быстроте корреляциям. Изучение таких корреляций всегда являлось непременным компонентом анализа взаимодействия ядер и адронов.
Также и в мягкой области спектра, исследование дальних корреляций является непременным атрибутом анализа рождения частиц. При этом особенный интерес для поисков кварк-глюонной плазмы и нелинейных явлений, связанных с насыщением партонных плотностей, предсказываемых на основе теории жесткого померона Балицкого-Фадина-Кураева-Липатова и в альтернативной технике "конденсата цветных стекол представляют корреляции с участием интенсивных величин, таких, как средний по событию поперечный импульс рожденных частиц. В мягкой области эти нелинейные явления могут быть эффективно описаны феноменологической моделью, учитывающей взаимодействие кварк-глюонных струн ("слияние"). Дальние корреляции здесь актуальны в качестве одного из инструментов, с помощью которого можно обнаружить этот эффект.
Цель работы. Главной целью диссертационной работы явилось исследование дальних корреляций в ядро-ядерных столкновениях, т.е. корреляций, возникающих между наблюдаемыми, измеренными в различных интервалах быстроты, как в мягкой, так и в жесткой области спектра.
Задача исследования корреляций в жесткой области сводилась к обобщению вклада многократных перерассеяний с учетом всех возможных эффектов интерференции на случай дважды инклюзивных сечений и исследованию этого вклада как возможного источника дальних корреляций.
В мягкой области основным направлением деятельности был детальный анализ дальних корреляций между различными динамическими переменными в рамках модели слияния кварк-глюонных струн и получение теоретических предсказаний коэффициентов корреляции для различных энергий и сталкивающихся ядер, а также сравнение полученных предсказаний с имеющимися экспериментальными данными.
Научная новизна и значимость работы. Итак, в диссертации вычислены дважды инклюзивные сечения рождения струй и предложено теоретическое описание дальних корреляций в между множественностями и средними поперечными импульсами рожденных частиц с учетом многократных перерассеяний в жесткой области и эффектов взаимодействия кварк-глюонных струн в мягкой части спектра. Были получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:
1. Получено выражение для дважды инклюзивного сечения рождения
джетов в ядро-ядерном столкновении. Показано, что для джетов, рожден
ных соответственно в области фрагментации мишени и ядра оно, помимо
членов, соответствующих независимому рождению частиц, содержит до
полнительные члены, порядка А~2'^. Проведены численные расчеты два
жды инклюзивных сечений для различных ядер при энергиях, соответству
ющих проводящимся экспериментам на RHIC и планируемым на LHC.
По дважды инклюзивным и одночастичным сечениям рассчитывается коэффициент корреляции для числа джетов, рожденных в разделенных быстротных окнах. Вычисления свидетельствуют о том, что при не слишком высоких энергиях такие корреляции могли бы наблюдаться, если атомный номер сталкивающихся ядер не слишком большой.
2. В рамках модели слияния струн при соответствующем подборе двух
параметров получено удовлетворительное описание зависимости среднего
поперечного импульса и множественности на единицу быстроты в зави
симости от центральности столкновения для экспериментов по столкнове
нию тяжелых ионов на RHIC и SPS. Численно рассчитаны коэффициенты
корреляции между средним поперечным импульсом и множественностью рожденных частиц с учетом реальной геометрии сталкивающихся ядер.
Разработана методика вычислений коэффициентов корреляции между средними поперечными импульсами рожденных частиц, применимая в любой двухстадийной модели, и в рамках модели слияния струн вычислены коэффициенты корреляции данного типа. Показано, что при неустранимых в эксперименте флуктуациях прицельного параметра, на уровне порядка 1 фм корреляции между средними поперечными импульсами с ростом энергии достигают значительной величины и для периферических классов центральности оказываются сопоставимы по величине с корреляциями множественность-множественность.
Вычисленные значения коэффициентов корреляции сравниваются с экспериментально полученными данными. Показано, что для корректного сопоставления теоретического расчета дальних корреляций при фиксированной центральности с экспериментом необходимо детальное моделирование экспериментального способа отбора событий.
Вычислены также корреляционные функции различных типов по событиям без фиксации центральности (minimum bias), для которых отсутствует необходимость детального моделирования работы установки. Имеется хорошее согласие между вычисленными корреляционными функциями и полученными в эксперименте зависимостями.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты позволяют судить о величине вклада различных механизмов рождения частиц в дальние корреляции в различных областях спектра. В качестве источников корреляций для жесткой области был проведен детальный анализ вклада многократных жестких перерассеяний в дважды инклюзивные сечения с учетом всех эффектов интерференции и вычислены коэффициенты корреляции. Для мягкой области спектра в качестве источника корреляций рассматривалась модель слияния струн. Расчеты коэффициентов корреляции между множественностью и поперечным импульсом были проведены для реальных ядерных плотностей и допускают непосредственное сопоставление с экспериментом. Методы вычисления корреляционных функций могут быть также использованы и при рассмотрении других моделей множественного рождения частиц.
Предложения по исследованию дальних корреляций в рр и АА взаимодействиях на суперколлайдере LHC, создаваемом в ЦЕРНе, вошли в программу исследований эксперимента ALICE, принятую и опубликованную в ЦЕРНе в 2005 году.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XVII Международном Балдинском семинаре по проблемам физики вы-
соких энергий в 2004 году; на XXXIII зимней школе ИТЭФ в 2005 году;
на семинаре по физике тяжелых ионов (Heavy Ion Forum) в ЦЕРН (Женева, Швейцария) в 2005 году.
Публикации по материалам диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 работах, из них - 4 публикации в реферируемых научных журналах, в том числе 2 - в зарубежных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации - 113 страниц, включая библиографию из 74 наименований. Диссертация содержит 23 рисунка и 8 таблиц.
Вклад автора. Автору принадлежат численные расчеты дальних корреляций в модели слияния струн а также методика вычисления корреляций между средними поперечными импульсами. Существенен вклад в вычисление дважды инклюзивных сечений и в подготовку публикаций.
