Teodor SIEMIARCZUK

 

 

EKSPERYMENTY Z RELATYWISTYCZNYMI CIĘŻKIMI JONAMI – II
(WA80, WA93 i WA98)

 

 

   Głównym celem programu badania oddziaływań ultra-relatywistycznych jąder w CERN-ie było sprawdzenie oczekiwania, że w zderzeniu jąder osiągnięta będzie wystarczająca gęstość energii, przy której pokonane zostaną krótkozasięgowe siły odpychające między nukleonami, co spowoduje pojawienie się nowego stanu materii, w którym kwarki i gluony, fundamentalne składniki materii, nie będą uwięzione w nukleonach, lecz wolne w objętości, w której wytworzymy odpowiednio dużą gęstość lub temperaturę. Ten stan materii, zwany plazmą kwarkowo-gluonową, będzie wykazywał symetrię chiralną, złamaną w zwykłej materii jądrowej. Chromodynamika kwantowa przewiduje przejście do stanu plazmy kwarkowo-gluonowej przy temperaturze pomiędzy 150-180 MeV, co odpowiada gęstości energii w obszarze 1 GeV/fm-3, kilkakrotnie większej od gęstości zwykłej materii jądrowej. Takie temperatury i gęstości energii występowały we wszechświecie w ciągu kilku pierwszych mikrosekund jego istnienia.

 

Udział grupy warszawskiej Instytutu Problemów Jądrowych w programie badania relatywistycznych jonów w CERN-ie zapoczątkowały propozycja eksperymentu na synchrotronie protonowym PS kolaboracji GSI-LBL-Heidelberg-Marburg-Warszawa (T. Siemiarczuk, J. Stepaniak, P.Zieliński) [1] złożona w lutym 1982 roku, a następnie w roku 1985, po pojawieniu się możliwości przyśpieszenia jonów na akceleratorze SPS, projekt eksperymentu kolaboracji GSI-LBL-Lund-Muenster-Oak Ridge-Warszawa [2], który rozpoczął serię eksperymentów WA80, WA93 i WA98 w obszarze energii 60-200 GeV na nukleon. W programie tym w ramach grupy warszawskiej na różnych jego etapach lub w całości uczestniczyli następujący fizycy: A. Deloff, K. Karpio, H. Liu, T. Siemiarczuk, G. Stefanek, J. Stepaniak, L. Tykarski, P. Zieliński.  Analiza danych doświadczalnych jeszcze trwa.

 

W jesieni 1986 roku na akceleratorze SPS CERN-u wiązki tlenu o energii 60 i 200 GeV na nukleon otrzymało jednocześnie pięć dużych eksperymentów, w tym WA80. Otworzyło to po raz pierwszy możliwość badania zderzeń ultra-relatywistycznych jonów w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych oraz poszukiwania przejścia fazowego materii jądrowej do stanu plazmy kwarkowo-gluonowej.

 

EKSPERYMENTY WA80, WA93 i WA98

 

Układ doświadczalny WA80  składał się z następujących detektorów: spektrometru Plastic Ball, detektorów krotności cząstek naładowanych LAM, MIRAM i SAM, kalorymetru MIRAC (Mid-Rapidity Calorimeter), spektrometru fotonów SAPHIR (Single-Arm Photon Detector for Heavy-Ion Reactions), detektora czasu przelotu TOF i kalorymetru do przodu ZDC (Zero-Degree Calorimeter). Eksperyment WA93 został zatwierdzony przez komitet SPS w październiku 1990 roku; pomiary zakończono w maju 1992. Z układu doświadczalnego WA80 zachowano kalorymetry, rozbudowano spektrometr fotonów, powiększając liczbę modułów oraz dodano magnes GOLIATH za którym ustawiono spektrometr cząstek naładowanych ARM1 zbudowany z wielostopniowych komór lawinowych z odczytem przy pomocy kamer CCD. W sierpniu 1993 Komitet SPS zatwierdził eksperyment WA98, którego celem było badanie zderzeń przyśpieszonych na akceleratorze SPS do energii 160 GeV na nukleon jonów ołowiu z jądrami. W układzie doświadczalnym WA98 zbudowano spektrometr fotonów LEDA składający się z 10 tysięcy modułów, dodano drugie ramię ARM2 do spektrometru cząstek naładowanych, co pozwoliło na jednoczesny pomiar cząstek ujemnie i dodatnio naładowanych, dodano detektor krotności fotonów,  krzemowe detektory segmentowy SPMD i dryfowy SDD do pomiaru krotności cząstek naładowanych. Poniżej przedstawimy krótki opis poszczególnych detektorów oraz przykłady wyników uzyskanych przy ich pomocy w eksperymentach WA80, WA93 i WA98. Część detektorów użyto we wszystkich trzech eksperymentach, niektóre rozbudowano lub dodano. Pełne przedstawienie danych doświadczalnych, ich interpretację fizyczną oraz porównanie z przewidywaniami teoretycznymi zawarte są w ponad 100 publikacjach i kilkunastu rozprawach doktorskich, których większość znaleźć można przy pomocy wyszukiwarki strony internetowej CERN-u .

 

Spektrometr Plastic Ball

 

Spektrometr ma geometrię sfery, na powierzchni której ułożono mozaikę z 655 teleskopów ΔE-E, które identyfikują i mierzą energię mezonów π+, protonów, deuteronów, trytów i jąder helu. Liczniki ΔE i E zbudowane są odpowiednio z kryształów CaF2  i scyntylatora plastikowego, połączonych optycznie, co z uwagi na ponad stukrotnie dłuższy czas emisji sygnału kryształu CaF2   w porównaniu z plastikiem pozwala na odczyt sygnałów E i ΔE jednym fotopowielaczem i następne rozdzielenie dwóch sygnałów przy pomocy dyskryminatora kształtu impulsu. Plastic Ball  ma symetrię azymutalną, pokrywa prawie pełny kąt bryłowy i jest unikalnym detektorem do badania korelacji Bosego-Einsteina, Fermiego-Diraca,  przepływów cząstek oraz krotności mezonów π+ i lekkich fragmentów jądrowych.

 

Detektory Krotności

 

Unikalną cechą eksperymentu WA80 jest możliwość pomiaru krotności cząstek naładowanych w prawie pełnym kącie bryłowym. Poza obszarem Plastic Ball’a krotność mierzona jest przy pomocy czterech detektorów krotności opartych o technologię rurek Iarocciego. Rurki zbudowano z plastiku pokrytego warstwą węgla i wypełnionych mieszanką izobutanu i argonu przy ciśnieniu atmosferycznym. Centralnie położony drut ma potencjał 4.8 kV. Cząstka padająca powoduje wyładowanie lokalne (streamer), którego odczyt następuje z prostokątnego elementu detektora (pad) o rozmiarach od 1x2.5 do 4x5 cm2   , w zależności od położenia, poprzez sprzężenie pojemnościowe.  Detektor krotności LAM (Large-Angle Multiplicity Detector) znajduje się w odległości 2.4 m od tarczy, pokrywa zakres kątów od 10˚ do 30˚ i składa się z 5664 elementów (pads); detektor MIRAM 1 i MIRAM2 (Mid-Rapidity Multiplicity )  umieszczono w odległości 6 m od tarczy, pokrywa on obszar kątów od 13˚ do 0.9˚  i składa się z dwóch umieszczonych obok siebie detektorów o całkowitej liczbie 16384 elementów (pads); detektor krotności SAM (Saphir Multiplicity Detector), umieszczony w odległości 2.5 m od tarczy, pokrywa zakresy kątów polarnego i azymutalnego ΔΘ=10˚,Δφ=80˚ i składa się z 7200 elementów. Dwie warstwy detektora MIRAM znajdują się przed kalorymetrem MIRAC, natomiast SAM ustawiono przed spektrometrem fotonów SAPHIR. Oprócz informacji o krotności cząstek naładowanych, detektory krotności o całkowitej liczbie ok. 30 tysięcy elementów są częścią szybkiego trygera dokonującego alokacji zdarzeń do różnych klas centralności. Ponadto detektory MIRAM i SAM służą dodatkowo do poprawienia informacji uzyskanej z kalorymetru MIRAC i spektrometru SAPHIR. W tym ostatnim pozwalają łatwiej wyeliminować kaskady hadronowe.

 

 

Kalorymetr MIRAC

 

Modularny kalorymetr MIRAC zbudowano do pomiaru strumienia energii poprzecznej dEt  /dη w obszarze  zmiennej mid-pseudorapidity 2.4<η<5.5 Aktywna powierzchnia kalorymetru ma kształt prostokąta o szerokości 3.3 m i wysokości 2.4 m. W środku jest otwór o wymiarach 66 cm x 24 cm, przez który przelatuje nie oddziałująca część wiązki. Kalorymetr zbudowany jest z 180 modułów, z których każdy składa się z sekcji elektromagnetycznej i hadronowej. Część elektromagnetyczną o długości 22.3 cm tworzy 27  3-milimetrowych warstw scyntylatora, rozdzielonych absorberem ołowiowym. W sekcji hadronowej zamiast ołowiu zastosowano warstwy żelaza o grubości 8 mm. Odczyt odbywa się poprzez materiał typy ZDF (zmieniający długość fali), dzięki czemu sygnał świetlny transportowany jest poprzez światłowody do fotopowielaczy. Sygnały z kalorymetru włączono do szybkiego trygera, który w odpowiedni sposób „znakuje” zdarzenia o określonej energii poprzecznej. Robi się to przy pomocy ważonego liniowego sumowania sygnałów z dynod. MIRAC był stałą częścią układu doświadczalnego we wszystkich trzech eksperymentach.

 

Spektrometry fotonów SAPHIR i LEDA

 

Detektor SAPHIR o wymiarach 98.0x171.5 cm2 składał się z 1278 modułów ze szkła ołowiowego o wymiarach 3.5x3.5x46 cm3. Długość modułu odpowiada 18 jednostkom radiacyjnym. Spektrometr umieszczono w odległości 3.12 m od tarczy, pod kątem 20˚ do wiązki. Pokrywa on w przybliżeniu obszar zmiennej pseudorapidity 1.5<η<2.1. Wymiary modułu wybrano w taki sposób, by 30 GeV foton zostawiał w szkle ołowiowym SF5 ok. 98% energii. Rozdzielczość energetyczna wynosiła σ/√E= (6./√E+0.4%), co odpowiada rozdzielczości masy π˚(η˚) 3-5%. SAPHIR jest jeszcze jednym detektorem włączonym do szybkiego trygera „znakującego” zdarzenia w funkcji liczby szybkich fotonów. W eksperymencie WA93 liczbę modułów spektrometru powiększono do 3780, spektrometr ustawiono w odległości 9 m od tarczy, pokrywał on obszar zmiennej pseudorapidity 2<η<3. W eksperymencie WA98  detektor fotonów składał się z 10 tysięcy modułów ze szkła ołowiowego, otrzymał nazwę LEDA, jego rozdzielczość energetyczna wynosi σ/E=(0.055±0.006)/(√E+0.008±0.002). Aby zmierzyć składową hadronową kaskad wytworzonych w scyntylatorze zastosowano detektor veto cząstek naładowanych VCP. Sygnalizuje on obecność cząstek naładowanych lecących w kierunku spektrometru. Składa się z dwóch sekcji, każda ma po 86 elementów plastikowych lub strumieniowych typu Iarocci. Odczyt z 19 m2 powierzchni czynnej detektora odbywa się poprzez układ 49 tysięcy prostokątnych elementów (pads). Tylko 1.5% fotonów ma szansę wywołać sygnał w VCP i nie zostać zarejestrowaną przez spektrometr LEDA.

 

Detektor krotności fotonów PMD

 

Detektor krotności PMD (Photon Multiplicity Detektor) ustawiono w odległości 21.5 m od tarczy; obejmuje przedział zmiennej pseudorapidity 2.45<η<2.95. Powierzchnia czynna detektora wynosi 30 m2 . Przednia część składa się z warstwy ołowiu i żelaza, w której fotony konwertują na pary elektron-pozyton. Bezpośrednio za nimi znajduje się 50 tysięcy bloków scyntylatora. Każdy z nich owinięto folią aluminiową w celu ograniczenia sygnału do jednego modułu. W detektorze zastosowano kable światłowodowe zmieniające długość fali przesyłanego światła. Pozwala to na odczyt przy pomocy kamer optycznych zawierających wzmacniacze obrazu.

 

 

 

Krzemowe detektory dryfowy SDD i segmentowy SPMD

 

Przeznaczeniem SDD jest pomiar krotności cząstek naładowanych. Ustawiony był w odległości 12.5 cm od tarczy i obejmował przedział zmiennej pseudorapidity 2.5<η<3.75. Detektor mierzy czas dryfu elektronów do jednej z 360 anod. Czas ten jest proporcjonalny do odległości między anodą a miejscem wytworzenia chmury elektronów przez padającą cząstkę i służy do określenia współrzędnych punktu uderzenia cząstki naładowanej w detektor. Detektor SPMD mierzy krotność cząstek naładowanych w przedziale zmiennej pseudorapidity 2.3<η<3.75. Ustawiony był w odległości 30 cm od tarczy. SPMD ma kształt koła i składa się z czterech niezależnych, identycznych części. Powierzchnia każdej z nich wynosi 2905 mm2 . Jej wewnętrzny i zewnętrzny promienie wynoszą odpowiednio 1.5 cm i 6.2 cm. Detektor składa się z 4000 elementów ułożonych radialnie. Segmenty detektora umieszczono w 22 równych przedziałach zmiennej pseudorapidity. Dokładność pomiaru krotności cząstek naładowanych wznosiła 2%, przy rejestrowaniu ok. 600 cząstek w typowym przypadku.

 

 

Kalorymetr ZDC

 

Kalorymetr ZDC ma wymiary poprzeczne 60x60 cm2 co umożliwia całkowite pokrycie otworu w detektorze MIRAC powodując, że wszystkie cząstki emitowane pod kątem 0.3˚ w stosunku do wiązki trafiają do niego. Ten 8- tonowy detektor składa się z części elektromagnetycznej o grubości 16.8 cm oraz znajdującej się za nią sekcji hadronowej o długości 172 cm. Materiałem scyntylacyjnym jest mieszanka polimetakrylanu metylu z naftalenem i butylem. Część elektromagnetyczna zbudowana jest z 32 warstw uranu o grubości 2 mm, rozdzielonych 3mm warstwami scyntylatora. Sekcja hadronowa składa się z 275 warstw scyntylatora i uranu, każda o grubości 3 mm. Do odczytu sygnałów z kalorymetru zastosowano technikę zmiany długości fali ZDF, co umożliwia jego transport przy pomocy światłowodów. Kalorymetr zaprojektowano w taki sposób by zatrzymał protony o energii 225 GeV, miał  zdolność rozdzielczą pozwalającą na odróżnienie trafienia 15 i 16 nukleonów o energii 50 GeV.

 

 

Spektrometr dwuramienny ARM1-ARM2 cząstek naładowanych

 

Przeznaczeniem spektrometru jest identyfikacja i pomiar pędu cząstek naładowanych odchylonych w polu magnesu GOLIATH. Ramię ARM1 mierzy cząstki ujemnie naładowane, składa się z sześciu wielostopniowych komór lawinowych MSAC (Multistep Avalanche Chamber) oraz detektora czasu przelotu TOF. Powierzchnia czynna pierwszej komory wynosi 1.2x0.8 m2 , pozostałych 1.6x1.2 m2 . Ramię drugie ARM2 rejestruje cząstki dodatnio naładowane, składa się z czterech komór typu MSAC oraz dwóch zbudowanych z tub strumieniowych (streamer tubes) z centralnie zamocowaną katodą.  Odczyt odbywa się przy pomocy 35 tysięcy płytek (pads) o dodatnim potencjale. Identyfikacja cząstek odbywa się przy pomocy detektora czasu przelotu TOF.

 

Krótki opis wyników uzyskanych w eksperymentach WA80, WA93 i WA98

 

Celem wszystkich trzech eksperymentów było zbadanie w oparciu o duży materiał statystyczny produkcji fotonów, neutralnych hadronów i cząstek naładowanych oraz korelacji między nimi w zderzeniach jonów tlenu, siarki i ołowiu z jądrami [3- 22]

 

Eksperymenty WA80 i WA93:

 

1.      Zmierzono widma energii poprzecznej cząstek naładowanych w zderzeniach O+C, O+Cu, O+Ag i O+Au przy energii 60 i 200 GeV na nukleon. Wyznaczono zdolność hamującą  oraz gęstość energii wytworzoną w zderzeniu. Np. dla zderzeń centralnych zdolność hamująca maleje z 90% przy 60 A GeV do 60% przy 200 A GeV. Odpowiednie gęstości energii dla 60 A GeV to 0.5-1.0 GeV/fm3 oraz 1.0-2.6 GeV/fm3 przy energii 200 A GeV.

2.      Zmierzono rozkłady cząstek naładowanych w funkcji energii, masy tarczy i parametru zderzenia; zaobserwowano znaczące odstępstwa od modeli FRITIOF i Hijet.

3.      Zbadano fragmentację tarczy przy pomocy spektrometru Plastic Ball; pokazano, że w wyniku zderzenia centralnego następuje rozbicie jądra tarczy na drobne fragmenty.

4.      Zaobserwowano zmianę nachylenia rozkładów pędów poprzecznych fotonów i mezonów π˚ przy pt≈500 MeV/c, która nie występuje w zderzeniach pp i nie da się wytłumaczyć przy pomocy istniejących modeli.

5.      Wykonano analizę korelacji Bosego-Einsteina i Fermiego-Diraca dla miękkich fotonów i powolnych protonów zarejestrowanych w spektrometrze Plastic Ball. Wyznaczono rozmiary źródeł emisji.

6.      Wyznaczono górną granicę przekroju czynnego na produkcję fotonów bezpośrednich.

 

 

Eksperyment WA98:

 

1.      Wykonano pomiary i analizy wyników opisanych w punktach 1-5 powyżej dla zderzeń Pb+Pb przy energii 158 A GeV.

2.      Zaobserwowano po raz pierwszy znaczącą produkcję fotonów bezpośrednich w zderzeniach Pb+Pb przy energii 158 A GeV.

3.       Zaobserwowano i zbadano przepływy kierunkowy i eliptyczny fotonów w zderzeniach Pb+Pb.

4.      Wykonano analizę interferometryczną fotonów bezpośrednich w zderzeniach Pb+Pb przy energii 158 A GeV.

5.      Zmierzono rozkłady mas poprzecznych π˚ w obszarze centralnym zmiennej mid-rapidity w funkcji parametru zderzenia w oddziaływaniach Pb+Pb i Pb+Nb przy energii 158 A GeV. Zaobserwowano efekt jądrowy podobny do efektu Cronina rosnący z masą poprzeczną. W zderzeniach centralnych efekt ten jest słabszy.

6.      Wyznaczono górną granicę przekroju czynnego na produkcję nieuporządkowanych kondensatów chiralnych.

7.      Stwierdzono występowanie nie statystycznych korelacji w emisji cząstek naładowanych i fotonów.

8.      Zbadano produkcję rezonansu Δ++  oraz stosunek jego częstości do protonów  w zderzeniach Pb+Pb.

9.      Wykonano pomiar interferometryczny rozmiarów źródeł emisji naładowanych mezonów π.  

10.  Zaobserwowano „rzeczywiste”  3-cząstkowe korelacje Bosego-Einsteina mezonów π-  w zderzeniach centralnych Pb+Pb.

 

Wyniki uzyskane w tych eksperymentach oraz eksperymentach NA11, NA45/CERES, NA49, NA50, NA52, WA97/NA57 dostarczyły przekonujące dowody, że wytworzono w warunkach laboratoryjnych gęstość energii o rząd wielkości przekraczającą gęstość energii normalnej materii jądrowej. Szereg obserwacji pośrednich wykonanych w tych eksperymentach tworzy poważną listę poszlak wskazujących na możliwość wytworzenia plazmy kwarkowo-gluonowej w zderzeniach Pb+Pb na akceleratorze SPS w CERN-ie .

 

Referencje

 

[1] GSI-LBL-Heidelberg-Marburg-Warsaw Collaboration,  „Study of relativistic nucleus-nucleus reactions induced by oxygen beams of 9-13 GeV per nucleon at the CERN PS, February 1982, CERN/PSCC/82-1/PSCC/P53, 1982

 

[2] GSI-LBL-Lund-Muenster-Oak Ridge-Warsaw Collaborarion, „Study of relativistic nucleus-nucleus collisions at the CERN SPS”, CERN/SPSC 85-35, SPSC/M406, 1985

 

[3] R. Albrecht et. al., Physics Letters B199(1987)297

 

[4] R. Albrecht et al., Physics Letters B202(1988)596

 

[5] R .Albrecht et al., Physics Letters B201(1988)390

 

[6] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. C56(1997)1160

 

[7] M. Aggarwal et al., Physics Letters B404(1997)207

 

[8]   M.Aggarwal et al., Physics Letters B403(1997)390

 

[9] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. C58(1998)1146

 

[10] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. Lett. 85(2000)2895

 

[11] M. Aggarwal et al., Physics Letters B477(2000)37

 

[12] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. Lett. 85(2000)3595

 

[13] M. Aggarwal et al., Eur. Phys. Journal C16(2000)445

 

[14] M. Aggarwal et al., Physics Letters B458(1999)422

 

[15] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. Lett. 83(1999)926

 

[16] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. Lett. 81(1998)4087

 

[17] M. Aggarwal et al., Physics Letters B420(1998)169

 

[18] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. C64(2001)11901

 

[19] M.Aggarwal et al., Eur. Phys. Journal C18(2001)651

 

[20] M. Aggarwal et al., Eur. Phys. Journal C23(2002)225

 

[21] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. C65(2002)054912

[22] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. C67(2003)014906

 

[22] M. Aggarwal et al., Phys. Rev. C67(2003)044901