ИСТИНА

Фундаментальным направлением современной релятивистской ядерной физики является изучение сильных взаимодействий при экстремально высоких температурах и плотностях энергии, включая исследование динамики кварк-адронных фазовых переходов и свойств образованной кварк-глюонной плазмы (КГП) на основе анализа механизмов множественного рождения частиц. Особая актуальность данной тематики обусловлена как продолжающимися интенсивными исследованиями в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC), так и ожидаемым в 2024-25 гг. запуском коллайдера NICA в Дубне. Если при максимально достижимых на сегодняшний день в лабораторных условиях энергиях LHC изучается высокотемпературное состояние КГП, близкое по свойствам к “протоматерии“, существовавшей в ранней Вселенной, то при энергиях ядерных столкновений на коллайдере NICA появляется возможность исследовать динамику кварк-адронных фазовых переходов (включая поиск “критической точки“) вблизи их границы. Эти две взаимодополняющие задачи являются одними из актуальнейших в современной ядерной физике высоких энергий. Различные типы импульсных, угловых и зарядовых корреляций частиц, рождающихся в ядро-ядерных соударениях, несут информацию о стадиях эволюции сильновзаимодействующей материи. Основной научной проблемой предлагаемого проекта, решаемой в рамках вышеуказанного фундаментального направления, является модельный анализ специфических корреляций частиц, которые на данный момент недостаточно изучены и плохо описываются имеющимися теоретическими моделями. Зарядовые корреляции частиц характеризуются “функциями баланса“ (ФБ) - плотностью вероятности того, что разноименно заряженные частицы разделены определенными интервалами (псевдо-)быстроты и азимутального угла. Ширины ФБ чувствительны ко времени, в течение которого происходит разделение электрического заряда, что открывает возможность использования измеренных ФБ для получения информации о пространственно-временных характеристиках области испускания частиц. В ходе выполнения проекта планируется исследование перспектив измерения ФБ в соударениях тяжелых ионов при энергиях коллайдера NICA, включая сравнение предсказаний различных теоретических моделей и сопоставление их результатов с доступными экспериментальными данными. Планируется проведение модельного анализа механизмов зарядовых корреляций частиц при энергиях NICA в разных теоретических подходах и модификация разработанной ранее участниками проекта модели HYDJET++ c целью описания соответствующих экспериментальных данных. Другой решаемой в рамках предлагаемого проекта задачей является модельный анализ особенностей азимутальных корреляций частиц, известных как “выстроенность”, которая наблюдалась в эмульсионных экспериментах с космическими лучами высоких энергий и, предположительно, указывает на компланарную природу разлета продуктов взаимодействия. Количественно “выстроенность” характеризует отклонение точек (наиболее энергичных центров) от прямой линии на плоскости эмульсионной пленки. Данное явление не описывается в рамках имеющихся теоретических моделей и до настоящего времени не наблюдалось в экспериментах на ускорителях. В ходе выполнения проекта планируется выявление механизмов, которые могли бы приводить к азимутальной выстроенности частиц в ядро-ядерных взаимодействиях, и разработка соответствующей процедуры моделирования данного эффекта.

The fundamental area of modern relativistic nuclear physics is study of strong interactions under extremely high temperatures and energy densities. It includes the investigation of dynamics of quark-hadron phase transition and properties of created quark-gluon plasma (QGP) analyzing the multi-particle production mechanisms. The particular actuality of this subject is conditioned by continuing intensive studies in experiments at Large Hadron Collider (LHC), as well as expected in 2024-25 starting NICA collider in Dubna. The maximum energies currently achieved in laboratory conditions at the LHC allow one to probe high-temperature QGP state similar in properties to “proto-matter” existed in Early Universe. The NICA energy domain allows one to study dynamics of quark-hadron phase transitions (including search for “critical point”) near their boundary. Both above tasks are complementary and certainly relevant for modern high energy nuclear physics. The different kinds of momentum, angular and charge particle correlations carry information about evolution stages of strongly-interacting matter formed in nucleus-nucleus collisions. The main scientific problem of the project suggested (within the above fundamental area) is the model analysis of specific particle correlations, which are insufficiently studied and poorly described by existing theoretical models. Charge particle correlations are characterized by the “balance functions” (BF), representing the probability density for opposite-charge particles be separated by definite (pseudo-)rapidity and azimuthal angle intervals. The width of BF is sensitive to duration of electric charge separation, and so it may be used to extract the information about space-time characteristics of particle emitting source. During the implementation of the project, it is planned to study the perspectives of BF measurement in heavy ion collisions at NICA energies. In particular, it includes the comparison of predictions of various theoretical models and available experimental data. The model analysis of mechanisms of charge particle correlations at NICA energies will be done for different theoretical approaches. The modification of developed earlier by the project participants HYDJET++ model, in a part of charge particle correlations, is foreseen. Another task to be solved in frames of the project suggested is the model analysis of specific azimuthal particle correlations, so called “alignment”. The alignment phenomenon has been observed in emulsion experiments with high energy cosmic rays, and it presumably indicated on coplanar scattering of secondary particles in the interaction. The alignment quantitatively characterizes a deviation of spots (“most energetic centers”) from straight line on the plane of the emulsion film. Such phenomenon is poorly described by existing theoretical models, and was not observed in accelerator experiments until now. During the implementation of the project, it is planned to reveal possible mechanisms of azimuthal particle alignment in nucleus-nucleus interactions, and to develop the corresponding simulation procedure for this effect.

В ходе выполнения проекта будет проведено сравнение предсказаний различных теоретических моделей (vHLLE, UrQMD, HYDJET++,…) для зарядовых функций баланса в соударениях тяжелых ионов при энергиях коллайдера NICA и сопоставление модельных результатов с доступными экспериментальными данными, полученными в рамках программы скана энергий на коллайдере RHIC. Будут проанализированы механизмы зарядовых корреляций частиц при энергиях NICA и чувствительность таких корреляций к динамике ядро-ядерных взаимодействий. Будет проведена модификация разработанной ранее участниками проекта модели HYDJET++ c целью описания экспериментальных данных по зарядовым корреляциям в рассматриваемом диапазоне энергий. В случае начала работы NICA и получения данных по зарядовым корреляциям частиц в эксперименте MPD до окончания проекта будет начат анализ этих данных (включая сравнение с теоретическими моделями и интерпретацию данных). Полученные результаты внесут значимый вклад в разработку и реализацию программы измерения зарядовых корреляций частиц в соударениях тяжелых ионов при энергиях коллайдера NICA, что является новым направлением исследований для коллектива проекта. Будет проверена гипотеза, заключающаяся в том, что наблюдаемое в экспериментах с космическими лучами высоких энергий явление азимутальной выстроенности частиц может быть связано с коллективными эффектами, проявляющимися в ядро-ядерных взаимодействиях. Будут выявлены механизмы, которые могут приводить к “выстроенности“ частиц в релятивистских соударениях ядер, и разработана соответствующая процедура моделирования данного эффекта. Поставленная научная задача является новой для коллектива проекта, а ее решение внесет значимый вклад в понимание механизмов множественного рождения частиц в ядро-ядерных взаимодействиях при высоких энергиях. Актуальной и значимой задачей, которая будет решаться в ходе выполнения проекта, является улучшение компьютерных моделей (генераторов событий) в части моделирования исследуемых зарядовых и азимутальных корреляций частиц в ядро-ядерных взаимодействиях. Такие генераторы событий необходимы для интерпретации экспериментальных данных, планирования новых экспериментов и предсказания явлений в широком диапазоне энергий.

Участники проекта имеют значительный опыт участия в работах по феноменологическому и экспериментальному исследованию релятивистских соударений тяжелых ионов (в т.ч. в рамках коллабораций CMS/LHC и MPD/NICA), значительный научный задел по проекту и опыт совместной реализации проектов, поддержанных различными научными фондами (РНФ, РФФИ). В частности, участниками проекта был разработан ряд моделей ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях (PYQUEN, HYDJET, HYDJET++), при этом модель HYDJET++ будет одним из основных инструментов проводимого в проекте исследования. Недавно модель HYDJET++ была адаптирована для диапазона энергий NICA и уже применялась для исследования перспектив измерения ряда физических эффектов в экспериментах на NICA. Обнаруженный в эмульсионных экспериментах с космическими лучами высоких энергий эффект азимутальной выстроенности "энергетически выделенных центров" был исследован ранее участниками проекта для протон-протонных соударений и в рамках разработанной "геометрической модели", согласно которой высокая степень выстроенности является следствием процедуры отбора наиболее энергичных центров-кластеров частиц - наличием нижнего порога энергии у продуктов взаимодействия ядер мишени и космических частиц совместно с законом сохранения их поперечного импульса. Дальнейшее развитие этой задачи видится в использовании генераторов ядро-ядерных взаимодействий типа HYDJET++, для которых возможно моделирование анизотропного потока для нецентральных столкновений, что позволит модифицировать параметры вычисления выстроенности и, в перспективе, может привести к корректной интерпретации данных.

Основной научной проблемой проекта является модельный анализ специфических зарядовых и угловых корреляций частиц в ядро-ядерных взаимодействиях при высоких энергиях, которые на данный момент недостаточно изучены и плохо описываются имеющимися теоретическими моделями. Зарядовые корреляции частиц характеризуются "функциями баланса" (ФБ) - плотностью вероятности того, что разноименно заряженные частицы разделены определенными интервалами (псевдо-)быстроты и азимутального угла. В ходе выполнения проекта проведен модельный анализ зарядовых корреляций адронов в соударениях тяжелых ионов для диапазона промежуточных энергий, соответствующего программе скана энергий на коллайдере RHIC и планируемым энергиям коллайдера NICA. Показано, что ни одна из использованных моделей (UrQMD, vHLLE и "стандартная" версия разработанного ранее участниками проекта генератора событий HYDJET++) не воспроизводит измеренные в эксперименте STAR на коллайдере RHIC зависимости быстротных ширин ФБ заряженных адронов от центральности соударений ионов золота при энергиях в системе центра масс 7.7 и 11.5 ГэВ на пару нуклонов, что может свидетельствовать о неучтенных в этих моделях механизмах зарядовых корреляций. В то же время показано, что введение в модель HYDJET++ пособытийного сохранения электрического заряда прямых адронов и учет конечных значений изоспинового, странного и барионного химических потенциалов позволяет существенно улучшить описание данных по быстротным ширинам ФБ для рассматриваемых энергий и центральностей ионных соударений. Предложенный подход для модификации статистического рождения адронов позволяет описать зарядовые корреляции в соударениях тяжелых ионов в широком диапазоне энергий (от LHC до NICA). С помощью модифицированной версии модели HYDJET++ проведено моделирование соударений Bi+Bi при энергии в системе центра масс 9.2 ГэВ на пару нуклонов (одна из ожидаемых конфигураций ядро-ядерных соударений на NICA) и сделаны предсказания для зависимости быстротных ширин функций баланса от центральности взаимодействий. Другой решаемой в рамках данного проекта задачей является модельный анализ особенностей азимутальных корреляций частиц, известных как "выстроенность", которая наблюдалась в эмульсионных экспериментах с космическими лучами высоких энергий и, предположительно, указывает на компланарную природу разлета продуктов взаимодействия. Количественно "выстроенность" характеризует отклонение точек (наиболее энергичных центров) от прямой линии на плоскости эмульсионной пленки. Данное явление не описывается в рамках имеющихся теоретических моделей и до настоящего времени не наблюдалось в экспериментах на ускорителях. В ходе выполнения проекта для анализа возможных механизмов возникновения выстроенности было проведено моделирование столкновений Pb+Pb при энергии с системе центра масс 5.02 ТэВ на пару нуклонов с использованием Монте-Карло генератора ядро-ядерных взаимодействий HYDJET++. В развитом подходе показано, что высокая степень выстроенности может наблюдаться в столкновениях тяжелых ионов на встречных пучках вследствие отбора наиболее энергичных детектируемых частиц совместно с законом сохранения их поперечного импульса pT, который учитывается в виде минимизации "дисбаланса" суммарного поперечного импульса N отобранных частиц в каждом событии. Полученные результаты указывают на максимальную степень выстроенности для трех частиц в диапазоне pT-дисбаланса 0–1 ГэВ для различных классов центральности столкновений ионов свинца, а также на значительное увеличение степени выстроенности для четырех и пяти наиболее энергичных частиц в случае учета пособытийного сохранения поперечного импульса по сравнению со случаем без такого учета. Была разработана процедура кластеризации рожденных в ядро-ядерных взаимодействиях частиц, основанная на итерационном учете их взаимного расстояния. Показано, что разработанный алгоритм моделирования азимутальной выстроенности, учитывающий дисбаланс поперечного импульса кластеров совместно с процедурой кластеризации, в целом позволяет корректно интерпретировать экспериментальные данные коллаборации "Памир" для трех, четырех и пяти энергетически выделенных центров без введения в модель дополнительных динамически сложных механизмов. Тем не менее, полученные результаты не исключают возможность вклада других, возможно новых, эффектов в наблюдаемую в экспериментах с космическим излучением выстроенность и открывают перспективы для поиска проявлений такого типа азимутальных корреляций (при определенных кинематических условиях) в экспериментах на коллайдерах.