Эксперимент NA49

Треки адронов, возникающих в результате столкновения тяжёлых ионов. Такие столкновения могут приводить к образованию кварк-глюонной плазмы.
Рейнхард Сток (спереди) и Питер Сейбот (сзади), перед детектором NA49 в ЦЕРНе.

Эксперимент NA49 (англ. North Area experiment 49) — эксперимент по физике элементарных частиц, в ходе которого исследовались свойства кварк-глюонной плазмы. Использовалось и другое название эксперимента — «Ионы/TPC-Адроны». Он проводился в северной зоне Протонного суперсинхротрона (SPS) в ЦЕРНе в 1991—2002 годах[1].

В эксперименте использовался адронный детектор c большим акцептансом (время-проекционная камера) для исследования реакций, вызванных столкновением различных тяжёлых ионов (например, свинца) с мишенями, состоящими из различных элементов. Целью эксперимента NA49 было изучение образования заряженных адронов и нейтральных странных частиц, для поиска предсказанного с помощью расчётов квантовой хромодимамики (КХД) на решётке перехода вещества из нормального адронного состояния в кварк-глюонную плазму.

Эксперимент NA49 стал продолжением эксперимента NA35[англ.] и был одобрен 18 сентября 1991 года. Эксперимент начался со сбора данных в ноябре 1994 года и завершился 19 октября 2002 года. На смену ему пришёл эксперимент NA61[англ.] (SHINE). Представители эксперимента — Питер Сейбот и Рейнхард Сток.

Контекст

[править | править код]

Согласно Стандартной модели (СМ), кварки могут существовать только в бесцветных комбинациях из нескольких частиц. В свободном состоянии одиночные кварки никогда не наблюдались. Кварки испытывают сильное взаимодействие, которое переносится глюонным полем, тогда как адроны испытывают ядерное взаимодействие, которое описывается сложным адронным взаимодействием. Кварковая материя — это название состояния, при котором кварки вылетают за объём адрона. Поиск кварковой материи проверяет выводы СМ, в частности сильное взаимодействие, предсказываемое калибровочной теорией на решётке. Предполагается, что после Большого взрыва Вселенная состояла из кварковой материи, и исследование этого состояния могло бы предоставить сведения для астрофизических исследований[2].

Теория частиц предсказывает, что нагрев обычной ядерной материи выше критической температуры при достаточном давлении приведёт к образованию кварк-глюонной плазмы, в которой условие конфайнмента (невылета кварков) не выполняется. Для достижения этого состояния используются эксперименты с фиксированной мишенью. Мишень из тонкой металлической фольги бомбардируется пучком тяжёлых ядер высокой энергии. Сразу после столкновения может возникнуть горячее и плотное состояние кварк-глюонной материи, с последующим её быстрым расширением. В этот момент плотность и температура уменьшаются, формируются и вылетают адроны, которые можно обнаружить детекторами[3].

Экспериментальная установка

[править | править код]
Камера 2 вершинной проекции времени NA49 внутри сверхпроводящего магнита.

В эксперименте NA49 для отслеживания и идентификации частиц использовались четыре время-проекционных камеры (ВПК) большого объёма. Первые две ВПК находились внутри дипольных магнитов со сверхпроводящими катушками и использовались для определения импульса заряженных частиц по кривизне их траекторий. Две других ВПК были размещены за магнитами, чтобы определить потери энергии на ионизацию dE/dx и скорость частиц[4]. В эксперименте также использовался большой калориметр позаимствованный из предыдущих экспериментов SPS, который смог измерить так называемую поперечную энергию ET адронов, испускаемых в результате столкновения[5]. Измерения времени пролёта (ToF) проводились с помощью двух стенок сцинтилляционного счётчика с временным разрешением 60 пикосекунд. Фронтенд-электроника использовалась для считывания данных ВПК[6].

Используемый пучок полностью ободранных ионов свинца 208Pb был получен в синхротроне SPS, и выпущен с энергией 33 ТэВ[7]. В эксперименте использовалась мишень из тонкой свинцовой фольги, в результате чего при направлении на неё пучка происходило столкновение ядер Pb[8].

Полученные результаты

[править | править код]

Плотность энергии, созданная в результате столкновений в эксперименте NA49, оказалась больше критического значения и, следовательно, достаточно высокой, чтобы можно было исследовать кварк-глюонную материю. Было определено, что она составляет 3 ГэВ на кубический фемтометр, что соответствует расчётам решёточной КХД[7][9][10]. Кроме того, в ходе эксперимента также удалось определить температуру «замерзания» 120 МэВ, температуру, при которой столкновения между образовавшимися адронами прекращаются[11].

Дополнительные результаты были использованы для определения фазового перехода партон-адрон, который согласуется с предсказанием решёточной КХД[12]. Результаты показывают, что характер фазового превращения происходит без большого скачка скрытого тепла, что является предметом теоретических дискуссий[13].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Greybook. greybook.cern.ch. Дата обращения: 24 августа 2023. Архивировано 24 августа 2023 года.
  2. ↑ Heavy Ion Physics and Experiment NA49. na49info.web.cern.ch. Дата обращения: 24 августа 2023. Архивировано 2 августа 2021 года.
  3. ↑ The main findings. na49info.web.cern.ch. Дата обращения: 24 августа 2023. Архивировано 2 августа 2021 года.
  4. ↑ Mitrovski, Michael K (1 декабря 2006). Strangeness production at SPS energies from NA49. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 32 (12): S43 – S50. doi:10.1088/0954-3899/32/12/S05. ISSN 0954-3899.
  5. ↑ NA49 physics results regarding the search for Quark-Gluon Matter. na49info.web.cern.ch. Дата обращения: 24 августа 2023. Архивировано 2 августа 2021 года.
  6. ↑ Hadron production in nuclear collisions from the NA49 experiment at 158GeV/c · A. Nuclear Physics A (англ.). 661 (1–4): 45–54. 27 декабря 1999. doi:10.1016/S0375-9474(99)85007-6. ISSN 0375-9474. Архивировано 24 августа 2023. Дата обращения: 25 октября 2023.
  7. ↑ 1 2 First results from NA49 on Pb+Pb collisions at 158 GeV/nucleon. Nuclear Physics A (англ.). 590 (1–2): 355–365. 24 июля 1995. doi:10.1016/0375-9474(95)00247-X. ISSN 0375-9474. Архивировано 24 августа 2023. Дата обращения: 25 октября 2023.
  8. ↑ The NA49 Collaboration (27 ноября 2002). Energy dependence of pion and kaon production in central Pb+Pb collisions. Physical Review C. 66 (5): 054902. doi:10.1103/PhysRevC.66.054902.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (числовые имена: authors list) (ссылка)
  9. ↑ Stock, Reinhard (1 сентября 1997). Hadronic matter at high energy density and the search for the hadron–parton QCD phase transition. Czechoslovak Journal of Physics (англ.). 47 (9): 877–889. doi:10.1023/A:1021287912968. ISSN 1572-9486.
  10. ↑ NA49 physics results regarding the search for Quark-Gluon Matter. na49info.web.cern.ch. Дата обращения: 24 августа 2023. Архивировано 2 августа 2021 года.
  11. ↑ Stephanov, M. (10 ноября 1999). Event-by-event fluctuations in heavy ion collisions and the QCD critical point. Physical Review D (англ.). 60 (11). doi:10.1103/PhysRevD.60.114028. ISSN 0556-2821.
  12. ↑ Transition from baryonic to mesonic freeze-out. Physics Letters B (англ.). 615 (1–2): 50–54. 26 мая 2005. doi:10.1016/j.physletb.2005.03.074. ISSN 0370-2693. Архивировано 22 декабря 2023. Дата обращения: 25 октября 2023.
  13. ↑ Toneev, V D (1 июля 2005). Canonical strangeness and distillation effects in hadron production. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 31 (7): 583–597. doi:10.1088/0954-3899/31/7/005. ISSN 0954-3899.