Представляем вашему вниманию статью А. И. Малахова и В. А. Матвеева «Новые результаты и перспективы исследований в эксперименте NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН». Статья опубликована в третьем номере бюллетеня «Новости ОИЯИ» за 2020 год.

Программа научно-исследовательских работ эксперимента NA61/SHINE включает несколько направлений [1–3] и является продолжением исследований на установке NA49 [4], 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 рис. 1 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.

Рис.1. Вверху: параметр наклона спектров поперечных масс в центральной области быстрот для K⁺— и K^–-мезонов в зависимости от энергии столкновения во взаимодействиях p + p, Be + Be, Ar + Sc и Pb + Pb/Au + Au. Внизу: отношение K⁺/π⁺ в центральной области быстрот и отношение 〈K⁺ 〉/〈π⁺〉 в полном фазовом пространстве 4π как функция энергии столкновений p + p, Be + Be, Ar + Sc и Pb + Pb/Au + Au

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.

Удивительно, но в данных взаимодействия Ar + Sc нет указания на структуру «horn».

Данные в Xe + La-столкновениях, зарегистрированные в NA61/SHINE, ожидают своего анализа, чтобы прояснить физику вышеупомянутой картины.

Ранее были представлены предварительные результаты анализа методом «интермиттенси» для протонов в столкновениях Ar + Sc и Ве + Be при 150A ГэВ/с. Предварительные результаты анализа данных столкновений Be + Be и Ar + Sc могут быть первым возможным указанием на существование критической точки в реакции Ar + Sc, в то время как в данных столкновения Be + Be нет сигнала. В настоящее время предпринимается попытка улучшить оценку статистической значимости этого результата. Основываясь на доверительном интервале в наблюдаемом факториальном моменте ΔF₂(M) для экспериментальных данных Ar + Sc (рис.2, слева), можно сделать вывод, что ~95% значений находятся выше нулевой линии, что указывает на статистически значимое отделение реальных данных от смешанных событий (фона). На рис.2 (справа) показано, что только 1–5% некоррелированных протонных фоновых событий дают ΔF₂(M) сигнал, столь же сильный, как и наблюдаемый неслучайный сигнал. Таким образом, наблюдаемому экспериментальному результату можно приписать 95%-ю статистическую значимость как неслучайному, т. е. реально скоррелированному.

Рис.2. Слева: факториальный момент ΔF₂(M) для 10–15% центральных столкновений Ar + Sc при 150A ГэВ/c (черные точки); интервалы ошибок соответствуют «bootstrap» стандартной ошибке; цветные диапазоны указывают на «bootstrap» доверительные интервалы; сплошная синяя линия дает среднее значение «bootstrap» выборок. Справа: те же экспериментальные значения ΔF₂(M) (черные точки) в сравнении с результатами ΔF₂(M) для моделируемых случайных фоновых протонов

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 [4]. Сотрудники из ЛЯП активно участвовали в программе эксперимента NA61 по измерению сечений выхода заряженных адронов для нейтринной физики [5]. 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 [7].

В частности, с использованием метода подобия впервые было получено аналитическое представление быстротных распределений пионов при взаимодействии релятивистских ядер, прекрасно описывающих данные NA61/SHINE, полученные при всех налетающих импульсах в диапазоне от 20 до 158 ГэВ/с [8]. Эти результаты представлены на рис. 3 (слева).

На рис.3 (справа) видно хорошее воспроизведение экспериментальных данных и показано, что метод подобия в пространстве четырехмерных скоростей прекрасно работает при описании взаимодействий релятивистских ядер. Важно отметить, что здесь используются только две константы, которые требуются для описания данных при всех энергиях.

Рис. 3. Слева: быстротные распределения пионов (y) в р + р-столкновениях при начальных импульсах P_in = 158 ГэВ/с (сплошная красная кривая), 80 ГэВ/с (штриховая красная кривая), 40 ГэВ/с (зеленая кривая), 31 ГэВ/с (синяя кривая), 20 ГэВ/с (красная нижняя кривая) в сравнении с данными эксперимента NA61/SHINE в процессе р + р → π^– + х. Справа: результаты наших вычислений спектров m_πt в Pb + Pb-, Ar + Sc-, Be + Be- и p + p-столкновениях в центральной области быстрот при начальном импульсе на нуклон P_in = 40 ГэВ/с в сравнении с данными эксперимента NA61/SHINE [8]

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 [4]. 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.

Измеренное временное разрешение MRPC было стабильно во всех тестах и составило величину, не превышающую 50 пс. В течение 2021‒2022 гг. планируется завершить создание новой времяпролетной системы для эксперимента NA61/SHINE. В настоящее время начата работа по производству детекторов.

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.

Список литературы

1. Melkumov G. (NA61 Collab.). Recent Results of Strong Interaction Program from NA61/SHINE Experiment at CERN SPS // Eur. Phys. J. Web of Conf. 2019. V.204. P.010.
2. NA61/SHINE Collab. Report from the NA61/SHINE Experiment at the CERN. SPSCERN-SPSC-2019-041/SPSCSR-261 04/10/2019.
3. Gazdzicki M. (NA61 Collab.). Fluctuations and Correlations from NA61/SHINE // PoS CPOD. 2018. V.2017.P.012.
4. Afanasev S. et al. A Large Acceptance Hadron Detector // Nucl. Instr. Meth. A. 1999. V. 430. P.210–244.
5. Aduszkiewicz A. (NA61 Collab.). Measurements of Production and Inelastic Cross Sections for p + C, p + Be, and p + Al at 60 GeV/c and p + C and p + Be at 120 GeV/c // Phys. Rev. D. 2019. V.100, No.11. P.112004.
6. Baldin A.M., Malakhov A.I. Relativistic Multiparticle Processes in the Central Rapidity Region at Asymptotically High Energies // JINR Rapid Commun. 1998. No.1(87). P.5‒12.
7. Matveev V.A., Muradyan R.M., Tavkhelidze A.N. Automodelity in Strong Interactions // Teor. Mat. Fiz. 1973. V. 15, No. 3. P. 332–339.
8. Malakhov A.I., Lykasov G.I. Mid-Rapidity Dependence of Hadron Production in p−p and A−A Collisions // Eur. Phys. J. A. 2020. V.56, No. 4. P. 114.
9. Aduszkiewicz A. (NA61/SHINE Collab.). Study of Hadron–Nucleus and Nucleus–Nucleus Collisions at the CERN SPS: Early Post-LS2. Measurements and Future Plans // Tech. Rep. CERN-SPSC-2018-008. SPSC-P-330-ADD-10, CERN, Geneva, March, 2018; https://cds.cern.ch/record/2309890.
10. Babkin V. et al. Development of the MRPC for the TOF System of the MultiPurpose Detector // Nucl. Instr. Meth. A. 2016. V.824. P.490–492.