ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 1, с. 17-19

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ФИЗИКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ НА УСТАНОВКЕ

“КОМПАКТНЫЙ МЮОННЫЙ СОЛЕНОИД” (CMS)

НА БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ (LHC)

Поступила в редакцию 05.05.2020 г.; после доработки 05.05.2020 г.; принята к публикации 05.05.2020 г.

В работе представлено краткое изложение ряда последних интересных результатов по изучению

физики тяжелых ионов на установке “Компактный мюонный соленоид” (CMS) на Большом адронном

коллайдере (LHC), включая исследования кварк-глюонной материи.

DOI: 10.31857/S0044002721010153

1. ВВЕДЕНИЕ

физику в несимметричных соударениях протон-

свинец, а также интересные “промежуточные” ре-

Изучение адронной материи в экстремальном

зультаты в соударениях ксенон-ксенон.

режиме сверхвысоких температур и плотностей —

главная задача экспериментов с использованием

2. “МЯГКАЯ ФИЗИКА” ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

релятивистских соударений тяжелых ядер. Первые

НА УСТАНОВКЕ CMS

соударения свинец-свинец при энергии в системе

центра масс

√s_NN = 2.76 ТэВ на пару нуклонов на

Изучение “мягкой физики” позволяет понять

глобальную картину столкновений тяжелых ионов.

ускорителе “Большой адронный коллайдер” (LHC)

были зарегистрированы 7 ноября 2010 г. в 00 : 27

Распределения заряженных адронов по псев-

по женевскому времени. На протяжении уже почти

добыстроте η в столкновениях протон-свинец при

десяти лет международная коллаборация установ-

энергиях

√s_NN = 5.02 и 8.16 ТэВ, полученные

ки “Компактный мюонный соленоид” (CMS) [1]

на установке CMS, представлены в работе [3].

занимается изучением соударений тяжелых ионов.

Плотность частиц на взаимодействовавший нуклон

К данному моменту времени опубликована по-

сравнивалась с подобными измерениями в других

чти сотня статей, представлен также целых ряд

экспериментах; показано, что общая ее зависи-

предварительных результатов. Со всеми статья-

мость от энергии

√s_NN в соударениях протон-

ми коллаборации CMS по физике тяжелых ионов

протон, протон-свинец и свинец-свинец подчиня-

можно ознакомиться, перейдя по соответствующей

ется степенному закону.

интернет-ссылке [2].

Практически полная герметичность калори-

метрической системы установки CMS позволила

Главные цели научной программы эксперимента

измерить распределение поперечной энергии E_T

CMS по изучению тяжелых ионов можно условно

в ширине более

13.2

единиц псевдобыстроты

разделить на две группы (по энергии E и попе-

η в столкновениях протон-свинец при энергии

речному импульсу p_T объектов): “мягкая физика”

√s_NN = 5.02 ТэВ [4].

(исследования рождения низко- и среднеэнергич-

Так называемый

“ридж”-эффект или даль-

ных частиц: множественность, спектры, эллипти-

нодействующие (разница псевдобыстроты между

ческий поток, корреляции и т.д.) и “жесткие” тесты

двумя частицами 2 < |Δη| < 4) узкоугловые (раз-

(изучение различных высокоэнергичных объектов:

ница азимутальных углов между двумя частицами

адроны с большими поперечными импульсами, ад-

Δφ ≈ 0) корреляции были обнаружены с помощью

ронные струи, кварконии и т.п.). Хотелось бы также

установки CMS в протон-протонных столкнове-

отметить важную роль “нетрадиционных” объектов

ниях большой множественности [5], столкновениях

изучения — различные эффекты физики тяжелых

протон-свинец [6] и свинец-свинец [7]. Одно из

ионов в соударениях протон-протон, “смешанную”

возможных объяснений “ридж”-эффекта — взаи-

модействие между независимыми эллиптическим

¹⁾Научно-исследовательский институт ядерной физики

и триангулярным азимутальными потоками ча-

имени Д.В. Скобельцына Московского государственного

университета имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия.

стиц [8] (моделирование с использованием Монте-

^*E-mail: Serguei.Petrouchanko@cern.ch

Карло-генератора HYDJET++ [9]).

ПЕТРУШАНКО

Величина двух- и многочастичных угловых кор-

×10³

PbPb 368 mb^-1 (5.02 TeV)

реляций в протон-протонных соударениях изме-

рена как функция множественности заряженных

μμ

pT < 30 GeV

CMS

частиц [10]. В протон-протонных столкновениях

|y^μμ| < 2.4

большой множественности эти величины для за-

p_T > 4 GeV

ряженных адронов (главным образом, пионов), K0S

|η^μ| < 2.4

и Λ/Λ оказалась выше, чем для легких частиц с

Centrality 0-100%

PbPb Data

поперечными импульсами ниже p_T ≈ 2 ГэВ/c. По-

добное наблюдение было зафиксировано в соуда-

Total fit

рениях протон-свинец и свинец-свинец [11], что

Background

может свидетельствовать о единой коллективной

природе проявления дальнодействующих корреля-

R_AA scaled

ций во всех трех видах столкновений.

Эллиптический азимутальный поток v₂ был

измерен для чармированных и странных адронов

в столкновениях протон-свинец при энергии

√s_NN = 8.16 ТэВ [12]. Существенный v₂ был

обнаружен для таких частиц в событиях с высокой

множественностью. Для чармированных адронов

v₂ оказался ниже, чем для других частиц, что может

mμ+μ-, GeV

говорить о более слабом коллективном поведении

чарм-кварков в плотной адронной материи.

Рис.

1. Инвариантный массовый спектр димюо-

Были изучены азимутальные корреляции заря-

нов на установке CMS в столкновениях при энер-

женных частиц в столкновениях ксенон-ксенон

гии

√sNN = 5.02 ТэВ на пару нуклонов для ки-

при энергии

√s_NN = 5.44 ТэВ [13]. Величина v₂

нематического диапазона пар мюонов по попереч-

в наиболее центральных соударениях была выше

ному импульсу pT (μ⁺μ^-) < 30 ГэВ/c и быстро-

для столкновений ксенон-ксенон, чем для свинец-

те |y(μ⁺μ^-)| < 2.4. Точки — димюоны в соударени-

свинец, что может быть объяснено большей флук-

ях свинец-свинец, сплошная кривая — результат ап-

туационной компонентой в более легких соударяю-

проксимации.Верхнейштриховойкривой показан ана-

логичный результат для столкновений протон-протон

щихся системах.

с учетом поправки для представления в едином мас-

штабе. Рисунок опубликован в работе [14].

3. “ЖЕСТКИЕ” ТЕСТЫ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

НА УСТАНОВКЕ CMS

двойных струй соответствовал картине для протон-

“Жесткие” тесты в столкновениях тяжелых

протонных событий [16]. Перераспределение энер-

ионов дают информацию о свойствах ядерной

гии от узких к более широким углам относительно

материи.

оси струи было отмечено в столкновениях свинец-

Поперечные сечения рождения Υ(1S), Υ(2S)

свинец по сравнению со столкновениями протон-

и Υ(3S) были измерены в соударениях протон-

протон [17]. Также поперечный импульс частиц ме-

нее энергичной струи перераспределялся в пользу

протон и свинец-свинец при энергии

√s_NN =

частиц с меньшими импульсами в столкновениях

= 5.02 ТэВ [14]. Выход всех энергетических со-

свинец-свинец.

стояний Υ в соударениях свинец-свинец оказался

существенно подавлен (с последовательным уси-

Дифференциальный выход заряженных частиц

лением при увеличении массы) по сравнению с

с псевдобыстротой |η| < 1 и поперечным импуль-

соударениями протон-протон — см. рис. 1. Более

сом p_T = 0.5-100 ГэВ/c был изучен в столк-

того, в соударениях свинец-свинец не удалось

новениях ксенон-ксенон при энергии

√s_NN =

зафиксировать какого-либо заметного сигнала от

= 5.44

ТэВ

[18]. Сравнение с аналогичными

Υ(3S).

данными для протон-протонных соударений по-

В столкновениях свинец-свинец при энергии

казало меньшее подавление выхода частиц в

√s_NN = 2.76 ТэВ на установке CMS был обна-

столкновениях ксенон-ксенон по сравнению со

ружен эффект “гашения” струй — сильный дис-

столкновениями свинец-свинец для частиц с

баланс поперечного импульса двойных струй в

поперечным импульсом выше 6 ГэВ/c, если срав-

центральных и полуцентральных соударениях [15].

нивать одинаковые центральности столкновений.

В то же время в периферических столкновениях

Однако подавление выхода заряженных частиц в

свинец-свинец дисбаланс поперечного импульса

столкновениях ксенон-ксенон слегка выше, если

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ФИЗИКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

рассматривать столкновения с одинаковым числом

CMS Heavy-Ion Physics Publications, http:

взаимодействующих нуклонов.

//cms-results.web.cern.ch/cms-results/

public-results/publications/HIN/

CMS Collab. (A. M. Sirunyan et al.), J. High Energy

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Phys. 1801, 045 (2018).

Изучение соударений тяжелых ионов на экспе-

CMS Collab. (A. M. Sirunyan et al.), Phys. Rev. C

риментальной установке CMS ускорителя LHC на

100, 024902 (2019).

первых двух этапах его работы (Run 1 и Run 2)

CMS Collab. (V. Khachatryan et al.), J. High Energy

привело к интереснейшим результатам по физике

Phys. 1009, 091 (2010).

адронной материи в экстремальном режиме: из-

CMS Collab. (S. Chatrchyan et al.), Phys. Lett. B

мерен целых ряд физических наблюдаемых в раз-

718, 795 (2013).

ных соударяющихся системах при новых энергиях,

CMS Collab. (S. Chatrchyan et al.), J. High Energy

обнаружены различные проявления коллективных

Phys. 1107, 076 (2011).

потоковых эффектов, найдены подтверждения по-

G. Eyyubova, V. L. Korotkikh, I. P. Lokhtin,

глощения высокоэнергичных кварков и глюонов

S. V. Petrushanko, A. M. Snigirev, L. Bravina, and

в горячей материи, изучено последовательное по-

E. E. Zabrodin, Phys. Rev. C 91, 064907 (2015).

давление выхода связанных состояний тяжелых

кварков и т.д. Ожидается, что, начиная с запуска

I. P. Lokhtin, L. V. Malinina, S. V. Petrushanko,

A. M. Snigirev, I. Arsene, and K. Tywoniuk, Comput.

в 2021 г. третьего (Run 3) и с 2026 г. четвертого

Phys. Commun. 180, 779 (2009).

этапа (Run 4), с помощью существенно обновлен-

10.

CMS Collab. (V. Khachatryan et al.), Phys. Lett. B

ной установки CMS и очередных рекордных энер-

765, 193 (2017).

гиях и светимостях ускорителя LHC, мы сможем

11.

CMS Collab. (S. Chatrchyan et al.), Phys. Lett. B

получить новую не менее интересную информацию

о кварк-глюонной материи.

724, 213 (2013).

12.

CMS Collab. (A. M. Sirunyan et al.), Phys. Rev. Lett.

Автор выражает свою искреннюю благодар-

121, 082301 (2018).

ность Организаторам Сессии-конференции Сек-

ции ядерной физики ОФН РАН 10-12 марта

13.

CMS Collab. (A. M. Sirunyan et al.), Phys. Rev. C

2020 г. в г. Новосибирске за теплый и радушный

100, 044902 (2019).

прием и за возможность представить доклад. Спа-

14.

CMS Collab. (A. M. Sirunyan et al.), Phys. Lett. B

сибо всем участникам международной коллабора-

790, 270 (2019).

ции эксперимента “Компактный мюонный солено-

15.

CMS Collab. (S. Chatrchyan et al.), Phys. Rev. C 84,

ид” (CMS) за предоставленные материалы. Работа

024906 (2011).

частично выполнена при поддержке гранта РФФИ

16.

CMS Collab. (S. Chatrchyan et al.), Phys. Lett. B

№ 18-02-00155.

712, 176 (2012).

17.

CMS Collab. (A. M. Sirunyan et al.), J. High Energy

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Phys. 1805, 006 (2018).

18.

CMS Collab. (A. M. Sirunyan et al.), J. High Energy

1. CMS Collab. (S. Chatrchyan et al.), JINST 3,

S08004 (2008).

Phys. 1810, 138 (2018).

HEAVY-ION PHYSICS WITH THE COMPACT MUON SOLENID (CMS)

DETECTOR AT THE LARGE HADRON COLLIDER (LHC)

S. V. Petrushanko¹⁾

¹⁾Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, M.V. Lomonosov Moscow State University, Russia

A brief summary of the latest and the most interesting heavy-ion results with the Compact Muon Solenoid

(CMS) detector at the Large Hadron Collider (LHC) is presented, including the study of quark-gluon

matter.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021