Эксперимент BM@N для изучения барионной материи на

Эксперимент BM@N для изучения барионной материи на
Нуклотроне.
В. Васендина, А. Зинченко, М. Капишин, В. Колесников
Столкновения тяжелых ионов высоких энергий предоставляют уникальные
возможности для изучения свойств ядерной материи при экстремальных
условиях. Одними из основных проблем в современной астрофизике являются
описание механизмов образования и стабильности нейтронных звезд, а также
процессов протекающих при взрыве сверхновых [1]. При этом вид уравнения
состояния сверхплотной ядерной материи может быть получен только из
экспериментальных данных по ядро-ядерным столкновениям. Одним из наиболее
интригующих является предсказание о частичном восстановлении киральной
симметрии в плотной ядерной материи наблюдаемое по значительным
изменениям свойств адронов (масс и времен жизни) под влиянием ядерной
плотности [2]. Однако, недостаток точных экспериментальных данных для
энергий столкновения порядка нескольких ГэВ на нуклон не позволяет на
настоящий момент предпочесть какой-либо из предложенных сценариев
модификации. В столкновениях релятивистских ядер рождается большое
количество частиц со странностью (К-мезонов и -гиперонов). В процессе
вторичного взаимодействия этих частиц с нуклонами среды возможно
множественное образование каскадных гиперонов и гиперядер [3]. Изучение
рождения гиперядер позволит пролить свет на важные свойства гипероннуклонного и гиперон-гиперонного потенциала взаимодействия в среде. Более
того, данные исследования имеют значительный потенциал открытия, т.к. данные
по двойным гиперядрам на настоящий момент крайне скудны.
Программа по физике тяжелых ионов на Нуклотроне [4] включает в себя
следующие направления исследований: изучение уравнения состояния ядерной
материи и динамики ядерных столкновений, изучение свойств адронов в плотной
среде, изучение рождения каскадных гиперонов вблизи порога и рождения
гиперядер. Значительную долю набранной статистики составят реакции p+p,
p+n(d), необходимые для нормировки данных по A+A столкновениям.
Рис. 1. Сема эксперимента BM@N.
BM@N (Baryonic Matter @ Nuclotron) – эксперимент с фиксированной
мишенью на ускорителе Нуклотрон для изучения ядро-ядерных
столкновений [5]. Мы планируем исследовать распределения адронов по
быстроте, поперечному импульсу, азимутальному углу, а также изучать
флуктуации и корреляции адронов в событии. На Рис. 2 представлена схема
экспериментальной установки. Детектор BM@N состоит из трековой
системы, время-пролетной системы для идентификации заряженных частиц
и детекторов для определения параметров столкновения. Трековая система
состоит из набора GEM (Gaseous Electron Multipliers) детекторов,
расположенных внутри анализирующего магнита (мах поле 0.8 Тл), а также
Cathode Pad (CPC) и дрейфовых (DCH) камер позади магнита. Для
эффективного разделения частиц предназначены время-пролетные
детекторы (TOF1,2) на основе технологии mRPC (multigap Resistive Plate
Chambers) со стриповым считыванием. Параметры таких детекторов
позволяют идентифицировать частицы вплоть до импульсов порядка
нескольких GeV/c. Калориметр под нулевым углом (ZDC) предназначен для
определения прицельного параметра столкновения (центральности) по
измерению энергии частиц-фрагментов пучка. Также планируется
восстанавливать центральность взаимодействия независимо по измерениям
энергии частиц-фрагментов мишени в детекторе отдачи (Recoil), частично
перекрывающем заднюю полусферу (-1<<1.2).
Рис. 2. Модуль GEM-детектора на тестовом пучке Нуклотрона (2014 г.)
GEM-детекторы для эксперимента BM@N создаются группой ОИЯИ с
использованием разработок ЦЕРНа. Тестовый образец GEM-детектора был
исследован в течении недавнего сеанса на пучке протонов Нуклотрона в
феврале 2014 г. (Рис. 2), где изучалась операционная стабильность и
эффективность регистрации детектора. Первые тесты показали высокие
характеристики таких детекторов.
В реализации проекта BM@N принимают участие более 100 физиков и
инженеров из 12 стран. Согласно утвержденному плану уже в начале 2015
года первые элементы детектора будут установлены на пучке в тестовом
сеансе облучения, а на 2016 год запланировано начало набора физических
данных в эксперименте BM@N. В настоящий момент проводится активная
работа по созданию элементов детектора, модернизации канала пучка, а
также по оптимизации параметров установки с помощью методов МонтеКарло моделирования. Характеристики BM@N по реконструкции гиперонов
с помощью трековой информации с GEM детектора представлены на Рис. 3.
Качество идентификации -гиперонов по инвариантной массе остается
высоким даже в событиях с высокой множественностью частиц (в т.н.
центральных Au+Au взаимодействиях).
Рис. 3. Распределение по инвариантной массе для пар протонов и -мезонов, реконструированных в центральных Au+Au столкновениях при 4.5
ГэВ/нуклон.
Литература
1. I.Sagert et al, Phys. Rev. C 86, 045802 (2012).
2. R. Rapp, J. Wambach, Eur. Phys. J. A 6 (1999) 415;
R. Shyam and U. Mosel, Phys. Rev. C 67, 065202 (2003);
R. Rapp, J. Wambach and H. van Hees, arXiv:0901.3289.
3.J. Steinheimer, K. Gudima, A. Botvina, I. Mishustin, M. Bleicher, H. Stocker,
Phys. Lett. B 714 (2012), pp. 85
4. Searching for a QCD mixed phase at the Nuclotron-based ion collider facility
(NICA White Paper). http://nica.jinr.ru
5. BM@N Conceptual Design Report.
http://nica.jinr.ru/files/BM@N/BMN_CDR.pdf