Nagy impulzus´u r´eszecsk´ek vizsg´alata neh´ezion-¨utk¨oz´esekben Doktori ´ertekez´es t´ezisei Hamar Gerg˝o Budapest, 2013. janu´ar 14.
T´emavezet˝ ok: Dr. L´evai P´eter Wigner Fizikai Kutat´ ok¨ozpont MTA, Budapest Dr. Varga Dezs˝ o E¨ otv¨os Lor´and Tudom´anyegyetem, Budapest
1
Bevezet´ es A modern technika v´ıvm´anyai k¨oz¨ ul a r´eszecskegyors´ıt´ok ´es hadron¨ utk¨oztet˝ ok seg´ıts´eg´evel lehet˝ os´ege ny´ılt a tudom´anynak az Univerzum ˝ osanyag´ anak, a kvak-gluon-plazm´ anak (QGP) laborat´ oriumi k´ıs´erleti vizsg´alara. B´ar az anyag ezen kor´ abban nem ismert f´azis´ at csup´an igen r¨ ovid id˝ ore vagyunk k´epesek el˝o´all´ıtani, megfelel˝o eszk¨oz¨ okkel sokmindent megtudhatunk r´ ola, mely k¨ozelebb vihet minket az alapvet˝o term´eszeti er˝ ok ´es a Univerzum fejl˝ od´es´enek megismer´es´ehez. A protonokba ´es neutronokba z´ art kvarkokat ´es gluonokat neh´ezionok u ¨tk¨oztet´es´evel szabad´ıtjuk fel s ´ıgy kelthetj¨ uk f¨oldi k¨or¨ ulm´enyek k¨oz¨ ott a forr´ o ´es er˝ osen k¨olcs¨ onhat´ o QGP f´azist. A plazma pillanatszer˝ u keletkez´ese ut´ an t´agulni ´es h˝ ulni kezd, majd u ´jra hadronokba z´ ar´ odik. Ezen v´egterm´ekek prec´ız ´es sokoldal´ u m´er´es´evel lehet az eredeti anyag tulajdons´ agaira k¨ovetkeztetn¨ unk.
Koaleszcencia modellek Az u ´jrahadroniz´aci´ os mechanizmusok meg´ert´ese ´es le´ır´ asa kulcsfontoss´ ag´ u. a plazma r´eszletes vizsg´alat´ahoz. A r´eszecskeprodukci´ os mechanizmusok k¨oz¨ ul a termikus modellek k´ın´ alnak egy egyszer˝ u ´es m´egis j´ol m˝ uk¨od˝ o le´ır´ ast. Term´eszetesen ezen modellek strukt´ ur´ ajukn´al fogva nem ´ırhatj´ak le a kvarksz´ am sk´al´ az´ ast ´es a r´eszecsekorrel´ aci´okat. A hadroniz´aci´ os modellek m´ asik nagy csal´ adja a kvakok koaleszcenci´ aj´an alapulnak, amelyekben effekt´ıv konstituens kvarkok kapcsol´ odnak egym´ashoz, s v´alnak hadronokk´a. A kvarksz´am sk´al´ az´ ast term´eszet´en´el fogva j´osl´ o modellcsal´ ad az eddig vizsg´alt k¨ ul¨ onb¨ oz˝ o energi´ akon minden¨ utt j´ol m˝ uk¨od¨ ott; ´am a hadron rezonanci´akat nem volt k´epes kezelni.
2
A VHMPD ´ es a HPTD detektorok A CERN LHC gyors´ıt´ oj´anak neh´ezionfizik´ara specializ´ al´odott k´ıs´erlete az ALICE. A kilencvenes ´evekt˝ol tervezett k´ıs´erlet ¨osszetett detektorrendszere az u ¨tk¨oz´esenk´ent keletkez˝o t¨obb ezer r´eszecske egyenk´enti nyomk¨ovet´es´ere ´es azonos´ıt´as´ ara lett megkonstru´alva. A RHIC gyors´ıt´ o u ´j eredm´enyeinek f´eny´eben ´erdemes az ALICE k´ıs´erletet u ´j detektorokkal kieg´esz´ıteni, melyek a nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek azonos´ıt´as´ aval foglalkoznak. Egy ilyen nagy implulzus´ u r´eszecsk´eket azonos´ıt´o detektor lesz a VHMPID, melyben jelent˝ os a magyar r´esztv´etel. Ezen g´azt¨olt´es˝ u gy˝ ur˝ uform´ al´ o Cserenkov detektor a k´ıs´erlet r´eszecskeazonos´ıt´ asi tartom´ any´at 5 GeV/c-r˝ol 25 GeV/c-re emelheti a rendelkez´es´ere ´ all´ o t´ertartom´anyban. Az ´erdekes ´es nagy impulzus´ u r´eszecsk´ek ritka megjelen´ese miatt a detektornak egy speci´alis trigger detektorra, HPTD, is sz¨ uks´ege van. Ez a t¨obb r´eteg˝ u g´ azt¨ olt´es˝ u kamr´ akb´ol ´all´o rendszer k¨ ul¨ onb¨ oz˝o szint˝ u gyors trigger jelek el˝ o´ all´ıt´ asa mellett nyomk¨ovet˝o funci´ot is bet¨olt, mely a VHMPID sz´ am´ ara n´elk¨ ul¨ ozhetetlen. Mind a VHMPID ´es HPTD is g´ azt¨olt´es˝ u detekor alap´ uak, ´am elengedhetetlen mindk´et esetben a kor´ abban haszn´alt konstrukci´ok tov´abbfejleszt´ese, u ´j technol´ ogi´ak kidolgoz´asa ´es tesztje. A HPTD eset´en kis anyagmennyis´eg˝ u ´es sz˝ uk v´alaszf¨ uggv´eny˝ u t¨ olt¨ ott r´eszecsk´eket ´erz´ekel˝o detektorra, m´ıg a VHMPID eset´en kiv´ al´ o fotondetekt´al´asra van sz¨ uks´eg. A klasszikus ´es m´ odos´ıtott soksz´ alas kamr´ akon t´ ul a modern mikrostruk´ ur´ as illetve hibrid technol´ ogi´ak is szines´ıtik a lehet˝ os´egek t´ arh´ az´ at. A megfelel˝o jel¨oltek kiv´ alaszt´ asa ´es r´eszletes tesztjei els˝ orend˝ u fontoss´ ag´ uak a k´es˝ obbi detektor megfelel˝o m¨ uk¨od´ese szempontj´ab´ ol.
3
Kutat´ asi eredm´ enyek Kutat´ omunk´ am sor´ an a neh´ezion¨ utk¨oz´esek alkalm´ aval l´etrej¨ov˝o kvar-gluon-plazma hadroniz´aci´oja sor´ an keletkez˝o nagyenergi´ as r´eszecsk´ekkel foglalkoztam. A munka k¨oz´eppontj´aban az ALICE k´ıs´erlet egy fejleszt´esi projektje, a VHMPID detektor ´ allt, mely a nagy impulzus´ u hadronok azonos´ıt´as´ at v´egezn´e; seg´ıts´eg´evel a ”jet” jelens´egek vizsg´alat´an t´ ul az azonos´ıtott rezonancia rekonstrukci´o is jav´ıthat´ o. A hadroniz´aci´ os folyamatban keletkez˝o alap´ allapot´ u r´eszecsk´ek ugyan le´ırhat´ oak koaleszcencia modellekkel, ´am a rezonanci´akn´al probl´em´ ak jelentkeznek. Megalkottam az alapjeait egy a keletkez˝ o hadronrezonanci´ ak produkci´oj´at kezelni k´epes koalszcencia modellt (RCM). Az u ´j modell k´epes j´oslatot adni nagy t¨ omeg˝ u rezonanci´ak keletkez´es´ere is, valamint kiterjeszthet˝o ritka ´es b´ ajos ´ızekre, s meg˝ orzi a kvarksz´am sk´al´az´ast. A VHMPID k´ıs´erleti kutat´asi ´es fejleszt´esi munk´alatainak r´eszek´ent a REGARD csoportban r´eszletesen foglalkoztam a HPTD detektor fel´ep´ıt´es´evel ´es teszm´er´eseinek anal´ızis´evel; k¨ ul¨ on¨ os tekintettel a mikrostrukt´ ur´ as TGEM ´es az u ´j t´ıpus´ u soksz´alas CCC alap´ u r´eszecskedetekt´as´ as valamint az ALICE k´ıs´erletbe val´ o integr´ al´ as t´emak¨or´evel. R´eszt vettem a VHMPID els˝ o nagy m´eret˝ u protot´ıpus´anak tesztm´er´esein, s m´er´esi adatok anal´ızis´evel el˝oseg´ıtettem a tov´abbi fejleszt´esi ir´ anyok pontos´ıt´ as´ at. A mikrostrukt´ ur´ as alap´ u TCPD fotondetektor tervez´es´evel, tesztjeivel ´es anal´ızis´evel kimutattam a Cserenkov detektorokban val´o haszn´alhat´ os´ ag´ at. A nagy felbont´as´ u fel¨ uleti m´er´esek bevezet´es´evel ´es m´er´eseink anal´ızis´evel u ´j eszk¨oz sz¨ uletett a mikrostrukt´ ur´ as fotondetektorok vizsg´alat´ara.
4
1. Hadronrezonanci´ ak kelt´ ese koaleszcencia modellel Kifejlesztettem a Rezonancia Koaleszcenia Modellt (RCM), mely egy kvark koaleszcencia alap´ u modell, ahol a relativisztikus mechanika haszn´alat´aval el´erhet˝ ov´e tettem a nagy t¨ omeg˝ u ´ allapotok kelt´es´et. A k¨ ul¨ onb¨ oz˝o kvarktartalm´ u hadroncsal´ adok megjelen´esi f¨ uggv´eny´evel pedig a rezonanci´ak produkci´ oj´at megj´osoltam. Megmutattam, hogy az RCM modell alkalmas az u ´j ´ızek, p´eld´ aul b´ ajos szektor befogad´as´ ara. A charmonia ´es nyitott-b´ajos ´ allapotok produkci´oja azonban er˝ osen f¨ ugg a kezdeti param´eterk megv´alaszt´ as´ at´ol. Kisz´ am´ıtottam, hogy a rezonanci´ak bevezet´es´evel felmer¨ ult kvarksz´am sk´al´az´ast´ ol val´ o elt´er´es elhanyagolhat´ o. [1, 7, 8, 9, 10] 2. Mikrostrukt´ ur´ as t¨ olt¨ ottr´ eszecske fejleszt´ ese ´ es vizsg´ alata
detektorok
Megvizsg´ altam a HPTD detektor TGEM alap´ u megval´ os´ıt´ as´ anak lehet˝ os´eg´et. Az ´altalunk ´ep´ıtett detektorok laborban ´es r´eszecskenyal´abban v´egzett m´er´esei alapj´an az adatok anal´ızis´evel megmutattam, hogy a kiv´ ant helyfelbont´ as el´erhet˝ o, ´am a szikr´az´asi tulajdons´ agok megg´ atolj´ak a TGEM technol´ ogia jelen alkalmaz´ as´ at. [11, 12] ´ 3. Uj t´ıpus´ u vizsg´ alata
soksz´ alas
detektorok
fejleszt´ ese
´ es
A HPTD detektorhoz speci´ alis u ´j t´ıpus´ u soksz´alas kamr´ akat tervezt¨ unk. Ezen CCC t´ıpus´ u detektorokat labor ´es nyal´abteszteken egyar´ ant vizsg´altunk. Megmutattam, hogy a CCC technol´ ogia kiv´ al´ o kandid´at a HPTD detektorhoz, nagy effektivit´as´ u, uniform, olcs´ o technil´ ogia, s nagy m´eretekben is haszn´alhat´ o. [2, 3, 13] 5
4. VHMPID ´ es HPTD megval´ os´ıthat´ os´ agi vizsg´ alata A VHMPID nagym´ert˝ u protot´ıpus´anak tesztje ut´ an az adatok anal´ızis´evel megmutattam, hogy a detektor egyes elemi r´eszei mennyire felelnek meg az elv´ar´ asoknak illetve szimul´ aci´ os j´oslatoknak. A m´er´esi adtok alapj´an megvizsg´altam a HPTD detektor legfonotsabb param´eterinek megval´os´ıthat´ os´ ag´at. Megmutattam, hogy a CCC kamr´ ak seg´ıts´eg´evel kiv´ al´o L1 trigger lehet. A MIP detekt´ashoz sz¨ uks´eges effektivit´asa kiv´ al´o, valamint L0 triggerk´ent el´eri a megfelel˝o ALICE-os k¨ovetelm´enyeket. [5, 6, 13, 14] 5. Mikrostrukt´ ur´ as TCPD fotondetektor vizsg´ alata R´eszt vettem egy u ´j hibrid fotondetektok, a TCPD kifejleszt´es´eben ´es m´er´eseiben. Az adatok anal´ızis´evel megmutattam, hogy a kamra kiv´ al´oan haszn´alhat´ o g´azt¨olt´es˝ u fotondetektork´ent, p´eld´ aul Cserenkov detektorokban. A finom felbont´as´ u fel¨ uleti m´er´esek anal´ızis´evel megmutattam, hogy milyen fotonkihozatali ´es er˝ os´ıt´esi strukt´ ur´ ak jellemzik a TGEM technol´ ogi´at. [4, 15] T´ezispontk´ent nem eml´ıtett tov´abbi munk´am r´eszek´ent r´eszt vettem nem koaleszcencia alap´ u hadronprodukci´os mechanizmusok fejleszt´es´enek diszkusszi´oiban [20]. Valamint a CCC technol´ ogai geo- ´es k¨ornyezetfizkiai alkalmaz´ asainak munk´alataiban, kozmiskus m¨ uontomogr´ afia r´ev´en [16, 17, 18, 19].
6
Hivatkoz´ asok [ Refer´ alt nemzetk¨ ozi foly´ oiratban megjelenet cikkek ] [1] G.Hamar, P.L´evai Resonance production in a quark coalescence framework J.Phys.G 35 (2008) 104075 [2] D.Varga, G.Hamar, G.Kiss Asymmetric multi-wire proportional chamber with reduced requirements to mechanical precision Nucl.Instrum.Meth. A 648 (2011) 163 [3] D.Varga, G.Hamar, G.Benc´edi, G.Kiss Close Cathode Chamber: Low material budget MWPC Nucl.Instrum.Meth. A 698 (2013) 11 [4] G.Hamar, D.Varga High Resolution Surface Scanning of Thick-GEM for Single Photo-Electron Detection Nucl.Instrum.Meth. A 694 (2012) 16 [5] A.Di Mauro et al. (VHMPID Collaboration) The VHMPID RICH upgrade project for ALICE at LHC Nucl.Instrum.Meth. A639 (2011) 274 [6] A.Agocs et al. (VHMPID Collaboration) Very high momentum particle identification in ALICE at the LHC Nucl.Instrum.Meth. A617 (2010) 424 [ Nem refer´ alt, t´ ezispontokhoz kapcsol´ od´ o k¨ ozlem´ enyek ] [7] G.Hamar, L.L.Zhu, P.Csizmadia, P.L´evai Strange hadron yields and ratios in heavy ion collisions at RHIC energy J.Phys.G 35 (2008) 044067 [8] G.Hamar, L.L.Zhu, P.Csizmadia, P.L´evai The robustness of quasiparticle coalescence in quark matter Eur.Phys.J.ST 155 (2008) 67
7
[9] G.Hamar, P.L´evai Charmonium resonance production from quark coalescence PoS EPS-HEP2009 (2009) 033 [10] G.Hamar, P.L´evai Strange and nonstrange hadron resonance production by quark coalescence investigating quark number scaling Acta Phys.Pol. B Supp. 5 (2012) 451 [11] G.Hamar, D.Varga Thick-GEM Based Trigger Detector development IEEE NSS Conf.Rec. 2008 (2008) 955 [12] G.Hamar, D.Varga Vastag-GEM trigger az ALICE k´ıs´erlethez MNT Nukleon 2 (2009) 47 [13] L.Boldizs´ar et al. (VHMPID Collaboration) High-p(T) trigger detector development experiment at CERN Nucl.Phys.Proc.Suppl. 197 (2009) 296
for
the
ALICE
[14] G.Hamar for the VHMPID Collaboration VHMPID : ALICE detector upgrade proposal in the high-pT region CERN Proc. 2012-001 Proc. 6th Int.Ws. High pT Phys. At LHC (2012) 140 [15] TCPD a Microstructure Hybrid for RICH Applications el˝ok´esz¨ uletben [ Egy´ eb kutat´ asi k¨ ozlem´ enyek ] [16] G.G.Barnaf¨oldi, D.Varga, L.Ol´ah, G.Hamar, H.G.Melegh, G.Sur´anyi Portable Cosmic Muon Telescope for Environmental Applications Nucl.Instrum.Meth. A 689 (2012) 60
8
[17] L.Ol´ah, G.G.Barnaf¨oldi, G.Hamar, H.G.Melegh, G.Sur´anyi, D.Varga CCC-based Muon Telescope for Examination of Natural Caves Geosci. Instrum. Method. Data Syst. 1 (2012) 229 [18] G.G.Barnaf¨oldi, D.Varga, L.Ol´ah, G.Sur´anyi Kincskeres´es kozmikus m¨ uonokkal Fizikai Szemle 61.12 (2012) 401
G.Hamar,
H.G.Melegh,
[19] D.K´ alm´an et al. Kozmikus m¨ uonok elnyel˝ od´ese vas ´es ´olom abszorbensben Nukleon 5 (2013) 122 [20] J.Cleymans, G.Hamar, P.L´evai, S.Wheaton Near-thermal equilibrium with Tsallis distributions in heavy ion collisions J.Phys.G 36 (2009) 064018
9
