Моделирование современных экспериментов в физике высоких энергий и разработка технологии производства новых сверхлегких материалов для детекторных комплексов: 2021 г. этап 1

Project: Grant fulfilmentTotal grant fulfilment

Project Details

Description

4.3.7.1. Научная проблема, на решение которой направлен проект.

 

Проект направлен на решение научной проблемы поиска и исследования явлений образования и взаимодействия кварк-глюонных струн, которые могут быть как основными источниками множественного рождения частиц в ядро-ядерных столкновениях при высоких энергиях, так и непосредственно отвечать за начальные условия образования кварк-глюонной плазмы. Целью исследования является поиск сигнатур образования источников нового типа и процессов слияния цветных струн при энергиях Большого адронного коллайдера на данных эксперимента ALICE и возможного фазового перехода сильновзаимодействующей материи при достижении определенной плотности энергии в области взаимодействия сталкивающихся ядер (в последнем случае  путем анализа данных по столкновениям ядер свинца в эксперименте NA61/SHINE на Протонном суперсинхротроне в Европейском центре ядерных исслкдований (ЦЕРН).

 

 4.3.7.2. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.

 

Актуальность исследований новых физических явлений, связанных с процессами образования кварк-глюонных струн в адронных столкновениях при высоких энергиях, определяется целым рядом результатов, полученных за последнее время в экспериментах в ЦЕРН (Женева, Швейцария) и на коллайдере RHIC (Беркли, США): среди них увеличенный выход странных и мультистранных частиц как в ядро-ядерных, так и в протон-ядерных и протон-протонных столкновениях [например, ALICE Collaboration, Nature Physics volume 13, pages 535–539 (2017)]. Среди новых эффектов оказалось и появление так называемых дальних корреляций для различных наблюдаемых величин, измеренных в разделенных интервалах быстрот как в ядро-ядерных так и в протон-пронных столкновениях при высоких энергиях.

 

Актуальность исследования обусловлена тем, что в экспериментах ALICE на БАК и NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН в 2017 году, при непосредственном участии коллектива исполнителей данного проекта, были обнаружены два совершенно новых и неисследованных физических явления, относящихся к начальной фазе взаимодействия ядер при высоких энергиях. В эксперименте NA61/SHINE было обнаружено резкое изменение флуктуации (нормированной дисперсии)  выходов заряженных адронов с увеличением объема сталкивающихся систем (от легких - p+p, Be+Be - к более тяжелым - Ar+Sc) [E. Andronov for the NA61/SHINE Collaboration, XII WPCF2017; A. Seryakov, for the NA61/SHINE Collaboration, ICPPA2017], которое может свидетельствовать о новом физическом явлении - перколяционно мпереходе [G. Baym, Physica 96A, 131 (1979); M. Braun, C. Pajares, Nucl. Phys. B390, 542 (1993), S. Lin, E. Shuryak, Phys. Rev. D 79б 124015 (2009)], возникающим с ростом ядерной плотности в области взаимодействия. Другой новый эффект был обнаружен при анализе данных эксперимента ALICE по столкновениям ядер свинца на БАК: группой СПбГУ было установлено уменьшение коэффициента корреляции между средними поперечными импульсами для самых центральных столкновений ядер, являющиеся подтверждением ранее сделанных предсказаний модели слияния кварк-глюонных струн, разрабатываемой в СПбГУ [I. Altsybeev, arXiv:1711.04844 (2017)].

 

Модельный анализ данных экспериментов ALICE на БАК и NA61/SHINE на SPS и теоретическое исследование данных вопросов является весьма актуальными и перспективными ввиду развития экспериментальных методик на установках в ЦЕРН. Для регистрации треков частиц, возникающих в реакциях с тяжелыми ионами, одним из важных требований является повышение точности определения координат как первичных вершин, так и вторичных, связанных с распадом странных и очарованных частиц. Ключевую роль в определении координат этих вторичных вершин играет так называемый вершинный детектор, основными элементами которого являются кремниевые координатно-чувствительные детекторы. В настоящее время ведутся интенсивные исследования различных кремниевых координатно-чувствительных пиксельных детекторов, которые обладаюткак высоким пространственным разрешением, так и быстродействием [ALICEcollaboration, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. Volume 41, Issue 8, 087002 (2014); V. I. Zherebchevsky, et al., Investigations of the newgeneration pixel detectors for ALICE experiment at LHC. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics Volume: 80 Issue: 8 Pages: 953-958, 2016].

Актуальность реализации предлагаемых исследований связана с необходимостью решения новых задач в протон-протонных, протон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях на БАК, связанных с возможностью изучения редких процессов после реконструкции коллайдера в 2017-2020 гг., когда его светимость будет увеличена более чем в 10 раз. Объемы информации по ядро-ядернымстолкновениям, которая поступает с экспериментальных установок на БАК, в частности с ALICE, возрастает с каждым годом, что требует развития современных центров обработки и хранения данных с применением грид-облачных систем обработки данных и необходимости моделирования и прогнозирования их работы. Актуальным представляется также и развитие новых систем накопления и хранения больших массивов данных с высоким уровнем безопасности для экспериментов. Крометого, актуальность возможного практического применения результатов данного проекта в медицине определяется как возможностью использования детектирующих систем с рекордными значениями радиационной прозрачности для томографических исследований, так и анализом применимости результатов данного гранта по доступу к большим данным в рамках концепции “Удаленной тренировочной платформы для радиотерапии”, которая может найти применение как образовательная платформа подготовки специалистов для новейших центров адронной терапии, создание которых планируется в РФ.

 

Научная значимость решения проблемы

Научная значимость решения проблемы определяется тем, что отмеченные выше исследования могут дают информацию о процессах, предшествующих стадии образования кварк-глюонной плазмы. Оригинальные методы наблюдения новых физических явлений - перколяции и слияния кварк-глюонных струн в столкновениях ультрарелятивистских ионов - интенсивно развиваются в СПбГУ. Поскольку детальные экспериментальные исследования флуктуаций и дальних корреляций, в том числе их азимутальная анизотропия и зарядовые характеристики, входят в физические программы экспериментов ALICE на БАК и NA61/SHINE на SPS, это делает весьма значимым получение дальнейших теоретических предсказаний в данной области. Общая научная значимость проекта определяется детальными исследованиями обнаруженных при непосредственном участии специалистов СПбГУ новых эффектов в корреляционных функциях в ядро-ядерных столкновениях, новыми теоретическими приоритетными исследованиями СПбГУ по проблеме взаимодействия кварк- глюонных струн в столкновениях релятивистских ядер, новыми экспериментальными разработками по системам детектирования и оптимизации фона и детектирующим системами, предлагаемыми для возможного применения в планируемых модификациях экспериментов ALICE на БАК и NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН,

 

4.3.7.3. Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб.

 

Цель проекта требует комплексного подхода, и может быть разбита на три основные конкретные задачи:

1.Теоретические исследования и численное моделирование процессов образования кластеров кварк-глюонных струн в релятивистcких ядро-ядерных столкновениях;

2. Анализ экспериментальных данных современных экспериментов ALICE на БАК и NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН и проверка теоретичеcких гипотез;

3. Разработка на основе численного моделирования требований и апробация технологий для создания радиационно-прозрачных трековых систем, способных обеспечить исследования редких процессов и высокоэффективную регистрацию частиц в мягкой областиспектра.

 


Описание задач, предлагаемых к решению
Необходимо решить задачи, связанные с теоретическим описанием процессов формирования и распада кластеров кварк-глюонных струн, которые образуются на начальном этапе столкновения ядер в результате многократного перекрытия цветных струн в плоскости прицельного параметра. Решение данной задачи позволит определить наблюдаемые, наиболее чувствительные к поиску эффектов формирования и распада кластеров кварк-глюонных струн, а также и оценить возможности их экспериментального исследования на основе модельного анализа данных экспериментов ALICE на БАК и NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН.

 

В рамках разработанной в СПбГУ модели мультипомеронного обмена, а также и общедоступных моделей (таких как PYTHIA8, EPOS, SMASH) предлагается провести расчеты так называемых модифицированных комбинантов распределения помножественности [M. Rybczynski, G. Wilk, Z. Wlodarczyk, Phys. Rev. D99 (2019)9:094045], которые показывают немонотонное поведение как функцю порядка комбинанта при энергиях, достигаемых на Большом адронном коллайдере. Такое поведение не описывается распределениями, которые обычно используются для аппроксимации распределений по множественности. Предлагается проследить с помощью моделирования, как меняется поведение комбинантов в зависимости от энергии, а также чем оно отличается для разных сортов частиц.

 

В рамках данного проекта планируется дальнейшее развитие монте-карловской модели pp, pA и AA столкновений со слиянием струн. Предполагается решение следующих задач:-Реализация эффективного дипольного партонного каскада с учетом Лоренц-инвариантности наблюдаемых величин. Таким образом в модели не останется ни одного параметра, зависящего от энергии столкновения. Учет бегущей константы связи должен  позволить более правильно описывать жесткую область столкновений. Будет сделан учет ближних корреляций поперечных импульсов, возникающих в момент фрагментации струны. Планируется детальное исследование влияние учета этих эффектов на дальние корреляции множественностей и поперечных импульсов, факторы ядерной модификации и сильноинтенсивных флуктуаций в столкновениях адронов и ядер при энергиях SPS и LHC.

 

Планируются  также оценка, поддержка, и использование существующих инфраструктурных проектов обработки больших данных, таких как DataLake и WLCG. Планируется оптимизация локальных вычислительных структур для работы с этими проектами.

Будет проведено моделирование параметров детекторных систем на основе монолитных активных пиксельных сенсоров, с целью построения новых детекторных комплексов. На основе новых углекомпозитных материалов будут разработаны технологии производства сверхлегких структур поддержки и охлаждения монолитных активных пиксельных сенсоров для новейших детекторных систем. В работе предполагается также анализ применимости полученных технологических решений для использования в фундаментальных исследованиях в области ядерной физики и физики высоких энергий, а также для решения прикладных задач в области радиационного материаловедения и ядерной медицины.

 

Масштаб основной конкретной задачи по поиску новых эффектов формирования и распада кластеров кварк-глюонных струн определяется необходимостью применения междисциплинарного подхода, который связан с рядом существенных особенностей современных экспериментов в физике высоких энергий. Проверка теоретических предсказаний и результатов численного моделирования редких процессов предъявляют чрезвычайно высокие требования к эффективности работы детектирующих систем, создаваемых для фундаментальных исследований в области релятивистской ядерной физики. Помимо эффективной регистрации частиц в мягкой области спектра (50 -- 100 МэВ) можно отметить, что для поиска новых физических явлений, связанных с процессами образования кластеров кварк-глюонных струн в адронных столкновениях и определяющих начальные стадии образования кварк-глюонной плазмы, необходимо применение детектирующих систем, обеспечивающих высокую точность регистрации координат треков (на уровне нескольких микрон). При этом возникают противоречащие друг-другу требования, в частности,   для прецизионной регистрации треков в мягкой области спектра и восстановления вторичных вершин необходимо обеспечение соответствующей высокой термо- и механической стабильности (на уровне порядка десятков микрон) для этих детектирующих систем с линейными размерами до 1.5 метра при жестком условии минимизации вещества в рабочей области.

 

На этапе подготовки новейших вершинных детекторов для экспериментов ALICE на БАК и NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН в работе  используется системный подход, включающий как теоретический анализ и численное моделирование исследуемых физических явлений с учетом влияния фоновых условий установок, анализ радиационной прозрачности разрабатываемых детектирующих систем и  выполнимости инженерных решений, что выдвигает требования к применяемым новым технологиям сверхлегких материалов для детекторных комплексов. Отмеченное выше численное моделирование физических процессов для установки класса мега-сайенс ALICE требует использования существующих инфраструктурных проектов обработки больших данных, таких как DataLake и WLCG. Последнее также относится к факторам междисциплинарности. И, наконец, еще одним проявлением междисциплинарности и масштабности проекта является планируемый анализ возможных практических приложений некоторых результатов данного гранта (по доступу к большим данным и по новым технологиям сверхлегких материалов) в медицине.

 

4.3.7.4. Научная новизна решения поставленной поставленной задачи, обоснование достижимости и возможности получения запланированных результатов.

Предложенные в проекте направления исследований дальних корреляций для различных наблюдаемых величин в столкновениях релятивистских ионов при сверхвысоких энергиях являются оригинальными и приоритетными разработками СПбГУ. Новизна проекта определяется новыми теоретическими приоритетными исследованиями СПбГУ по проблеме слияния кварк-глюонных струн и дальним корреляциям, развитие которых будет продолжено в исследованиях дальних корреляций с участием странных и мультистранных гиперонов, и модельным анализом экспериментальных данных в процессах протон-протонных, протон-ядерных и ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях.

 

 

Достижимость и возможность получения запланированных результатов.

 

Необходимо специально отметить, что все изобретения и технологии, которые планируется использовать в данном проекте, были разработаны участниками данного проекта и апробированы. Авторские права СПбГУ на дальнейшее использование этих технологий подтверждены соответствующими патентами.

 

Возможность реализации данного проекта определяется существующим заделом и высокой квалификацией  сотрудников Лаборатории физики сверхвысоких энергий, в том числе молодых, непосредственно участвующих в данных новых разработках в ЦЕРН. Коллектив обладает опытом международного научного сотрудничества, в котором постоянно участвуют студенты и аспиранты СПбГУ:

С 1992 года  - по настоящее время:  в составе международной научной  коллаборации ALICE на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН);

С 2006 года --по настоящее время: в составе международной научной коллаборации NA61(SHINE), ЦЕРН; (Соглашение о взаимопонимании MoU от 24 Октября 2008, договор СПбГУ ЦЕРН от 9 марта 2012, Договор СПбГУ ЦЕРН от 16 января 2017)

С 2006 года  - по настоящее время:   участие в ENLIGHT ++ (Европейская исследовательская сеть адронной терапии легкими ионами);

С 2018 года - по настоящее время: коллектив участвует в международной научной коллаборации MPD на коллайдере NICA  в ОИЯИ (Соглашение от 06.11.2018 (регистрационный номер СПбГУ 28-15-494 от 07.11.2018), заключенное между Объединенным институтом ядерных исследований (г. Дубна) (далее - ОИЯИ) и Санкт-Петербургским государственным университетом. Подготовлен   также Меморандум о взаимопонимании СПбГУ с коллаборацией MPD).

 

 

 

В качестве базового программного обеспечения (ПО) предлагается использовать компоненты системы, созданной ииспользуемой в ЦЕРН для работы с данными Большого адронного коллайдера (CERNBox) [http://cernbox.cern.ch/cernbox/doc/boxed/], что гарантирует распределенное (набор СХД) хранение и управление доступом к данным на базе EOS [https://eos.web.cern.ch/], возможность визуализации данных в облаке с использованием ownCloud [https://owncloud.org/].

 

4.3.7.5. Современное состояние исследований по данной проблеме.

Ведущаяся в настоящее время модернизация Большого адронного коллайдера (БАК), с запланированным увеличением светимости пучков более чем в 10 раз, представляет в ближайшие годы в период с 1  февраля 2022 г. (по состоянию планов БАК с учетом последних корректировок) уникальные возможности для расширения физической программы и для  начала  проведения новых уникальных экспериментальных исследований  свойств материи в экстремальном состоянии кварк-глюонной плазмы, отличающейся беспрецедентными значениями температур, низкими коэффициентами вязкости и большими временами жизни.  В частности, после этой фазы модернизации БАК открываются возможности детальных  исследований редких процессов  рождения тяжелых ароматов (B- и D-мезонов, включающих s-, c- и - b- кварки), а также и различных корреляций с участием этих частиц.  Проведение таких исследований входит в программу экспериментов  ALICE на БАК и  NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН.

 

Ключевыми детекторными устройствами, которые могут обеспечить реализацию данных исследований  редких процессов на   установках в ЦЕРН, являются так называемые вершинные детекторы, которые окружают точку взаимодействия (новая Внутренняя трековая система (ВТС-2) установки ALICE), либо находятся непосредственно у мишени (новый Вершинный детектор VD установки NA61/SHINE). В работах по этим двум системам участвует СПбГУ. Данные вершинные детекторы обеспечат возможности непосредственной регистрации вторичных вершин  распада частиц, содержащих тяжелые ароматы. Последнее достигается за счет применения новейших монолитных кремниевых пиксельных детекторов, созданных по технологиям КМОП и отличающихся высокой гранулярностью, радиационной стойкостью и быстродействием, а также за счет  комплекса инженерных решений и технологий, обеспечивающих рекордную радиационную прозрачность данных  детекторных систем.

Ранее созданная  при участии СПбГУ Внутренняя трековая система  (ITS)  ALICE успешно отработала в  течение 10 лет, начиная с 2008 года, на Большом адронном коллайдере (БАК). С ее участием были получены уникальных данных по регистрации странных и мультистранных гиперонов – частиц, содержащих странные кварки, появление которых является одним из сигналов образования кварк-глюонной плазмы. При этом необходимо отметить, что  именно инженерные решения, разработанные в Санкт-Петербурге для ITS по сверхлегким, термо- и механически- стабильным системам поддержки и охлаждения детекторов, обеспечили рекордные среди установок класса мега-сайенс  на БАК значения радиационной прозрачности (на уровне X/X0 ~0.8% на детектирующий слой), что дало возможность исследований в физической области так называемых мягких процессов.

Улучшение радиационной прозрачности новой Внутренней трековой системы (ITS-2) модернизируемой установки ALICE потребовало совершенствования технологий изготовления сверхлегких систем поддержки и охлаждения для координатно-чувствительных пиксельных детекторов.  Технологии, запатентованные в СПбГУ, используют углекомпозитные материалы - композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, гораздо легче стали. По удельным характеристикам превосходят высокопрочную сталь. Сочетание пиксельных кремниевых  детекторов с углекомпозитными сверхлегкими монолитными структурами поддержки и охлаждения  обеспечивает практическое решение жестких требований повышения точности реконструкции вторичных вершин. При этом за счет высокой радиационной  прозрачности всей ITS-2 существенно расширяется диапазон измерений в области малых импульсов частиц, что дает возможность существенного увеличения эффективности регистрации тяжелых ароматов (частиц, содержащих тяжелые кварки). 

Основные научно-технические решения были реализованы  в Лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ к 2019г. Достигнуты значения радиационной прозрачности (на уровне X/X0 ~0.35% для самых первых трех детекторных слоев ITS-2),  В  настоящее время ITS-2 полностью собрана и проходит стадию  технических испытаний при участии СПбГУ на космических лучах перед этапом монтажа в шахте ALICE на БАК. 

Параллельно с ITS-2 в коллаборации ALICE начались  поисковые работы по использованию кремниевых сверхтонких (20 микрон) гибких пиксельных детекторов  следующего поколения к будущему этапу модификации БАК и созданию ITS-3.

Планы  ITS-3,  и документы по одобрению проекта на комитете LHCC в ЦЕРН, перечислены ниже.

EoI : [ALICE-PUBLIC-2018-013] https://cds.cern.ch/record/2644611

LoI : [CERN-LHCC-2019-018;LHCC-I-03] https://cds.cern.ch/record/2703140/

LHCC 139 (Sep2019)[CERN-LHCC-2019-010 ; LHCC-139]

https://cds.cern.ch/record/2689443

LHCC 142 (Jun2020)[CERN-LHCC-2020-008;LHCC-142]

https://cds.cern.ch/record/2719880


Лаборатория сверхвысоких энергий СПбГУ включилась в данный проект на самом начальном этапе, были  сформулированы и поданы предложения в Европейскую стратегию по физике элементарных частиц по  перспективным работам по созданию  новейшей ITS-3  в период 2024-2026 гг:  "The input from the Laboratory of Ultra-High Energy Physics of Saint-Petersburg State University (Russia) for the 2020 update of the European Strategy for Particle Physics" Документ  зарегистрирован на сайте Стратегии:

https://indico.cern.ch/event/765096/contributions/3295619/

 

Возможное применение для ITS-3 ALICE на БАК сверхтонких (20 микрон) гибких пиксельных сенсоров  следующего поколения потребует как совершенствования инженерных технологий изготовления радиационно-прозрачных детекторных систем, так и расширения и детализации программы физических исследований. В то же самое время, результаты теоретических разработок и анализа возможности поиска новых физических явлений в столкновениях релятивистских протонов и ядер при высоких энергиях  могут потребовать оптимизации   концепции на данной стадии экспериментального проектирования. 

Среди новых явлений, поиск которых ведется в настоящее время в СПбГУ, необходимо отметить предсказанные теоретически эффекты взаимодействия кварк-глюонных струн, образующихся на ранних стадиях высокоэнергетичных столкновений адронов (В.Абрамовский, Е.Гейдалин, Е.Гурвич, О.Канчели, JETP Lett.,volume 47,pages 337--339,1988).

 Таким образом,  резюмируя анализ состояния проблемы поиска явлений образования кластеров кварк-глюонных струн их возможного взаимодействия, следует отметить актуальность данного направления для оценки роли начальных состояний в формировании  условий образования кварк-глюонной плазмы и для детального исследования механизмов множественного рождения заряженных частиц  в столкновениях релятивистских ядер.

 

 4.3.7.6. Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта

 

Для реализации перечисленных выше задач, в проекте будет применяться системный  подход, который включает в себя теоретический анализ, в сочетании счисленным монте-карло моделированием, процессов столкновений ядер при высоких энергиях  энергиях с образованием кварк-глюонной материи, сравнительный анализ с использованием доступных монте-карло генераторов чувствительности к новым фундаментальным явлениям для различных наблюдаемых, в том числе и сильноинтенсивных переменных, использование для моделирования существующих инфраструктурных проектов обработки больших данных, такихкак DataLake и WLCG, анализом применимости результатов данного гранта по доступу к большим данным к реализации в рамках концепции “Удаленной тренировочной платформы для радиотерапии”, которая может найти применение как образовательная платформа подготовки специалистовдля новейших центров адронной терапии, создание которых планируется в РФ, а также анализом на основе модельных расчетов требований  к регистрации редких процессов и к проблемам оптимизации технологии изготовления радиационно-прозрачных детектирующих систем.

 

 

Для конкретных работ в рамках проекта, будут применяться в тесном переплетении следующие подходы и методы:

 

1) Для изучения флуктуаций наблюдаемых величин  будут использованы сильноинтенсивные переменные с моментами второго порядка [M. Gorenstein, M. Gazdzicki,Phys.Rev.C84:014904 (2011)]. Авторы коллектива имеют опыт по написанию программного кода на языке программирования C++, необходимого для извлечения значений таких переменных, который успешно применялся для анализа экспериментальных данных коллаборации NA61/SHINE [E. Andronov, EPJ Web Conf.137 (2017) 07001; A. Seryakov, KnE Energ.Phys. 3 (2018) 170; D. Prokhorova, KnE Energ. Phys. 3 (2018) 217].

2) Для исследования корреляций среднего поперечного импульса в разделенных угловых интервалах будут применены методы, изложенные в работах [ALICE Collaboration, J. Phys. G: Nucl. Part.Phys. 32 1295 (2006); I.Altsybeev (ALICE), KnE Energy and Physics, 304-312,2018, arXiv:1711.04844; ALICE Collaboration, arXiv:1805.04422 (2018)]. Авторы коллектива имеют опыт написания кода (C++) для анализа этих наблюдаемых, успешно примененного в анализе данных коллаборации ALICE [I.Altsybeev,arXiv:1711.04844].

3) Для модельного учета вклада процессов слияния струн планируется использовать оригинальный, разработанный одним из участников проекта (Вечернин В.В., 2003), метод, состоящий в использовании конечной решетки (грида) в плоскости прицельного параметра, который в дальнейшем широко использовался в работах разных авторов.

4) Методы работы по созданию сверхлегких  углекомпозитных конструкций основаны на использовании  патентов СПбГУ,  разработанных ранее (С.Иголкин,Г,Феофилов, 2008).  

 

Общий план работы на весь срок выполнения проекта

 

1) Планируется провести теоретические расчеты сильно интенсивных величин, приведенной и устойчивой дисперсии в множественном рождении частиц в рр столкновениях для эксперимента ALICE. Изучение именно этих наблюдаемых обусловлено тем, что они позволяют исключить/подавить влияние на получаемые результаты тривиальных, так называемых, «объемных» флуктуаций, источником который являются, например, флуктуации прицельного параметра во взаимодействиях адронов. В результате ожидается, что использование этих наблюдаемых позволит получить более ясный сигнал о новых физических явлениях, таких как слияние кварк-глюонных струн и образования струнных кластеров в столкновениях адронов на БАК. В частности, планируется определение характеристик кластеров кварк-глюонных струн, образующихся во взаимодействиях адронов на БАК, путем модельного анализа данных эксперимента ALICE (2021 г.).

2) Планируется также разработка МК алгоритма, позволяющим проводить расчеты для рр столкновений с учетом экспериментальных условий ALICE. Предполагается заменить часть МК симуляций, где это возможно, аналитическими вычислениями. Это с одной стороны позволит ускорить работу МК алгоритма и даст возможность рассчитывать с его помощью более редкие события, например, поведение функции корреляционной регрессии при больших отклонениях от среднего значения. С другой стороны, сравнение результатов, полученных различными методами, повысит надежность получаемых результатов (2022 г.).

3) В рамках мультипомеронной модели, а также общедоступных моделей (таких как PYTHIA8, EPOS, SMASH) предлагается провести расчеты так называемых модифицированных комбинантов распределения по множественности [M. Rybczynski, G. Wilk, Z. Wlodarczyk, Phys.Rev. D99 (2019) 9:094045], которые показывают немонотонное поведение как функцию  порядка комбинанта при энергиях, достигаемых на Большом адронном коллайдере. Такое поведение не описывается распределениями, которые обычно используются для аппроксимации распределений по множественности. (2021 г.)

4) Предлагается проследить с помощью моделирования, как меняется поведение комбинантов в зависимости от энергии, а также чем оно отличается для разных сортов частиц. (2022 г.)

 

5) В рамках данного проекта планируется дальнейшее развитие монте-карловской модели pp, pA и AA столкновений со слиянием струн. Предполагается решение следующих задач (2021г):

- Реализация эффективного дипольного партонного каскада с учетом Лоренц-инвариантности наблюдаемых величин. Таким образом в модели не останется ни одного параметра, зависящего от энергии столкновения

- Учет бегущей константы связи, что позволит более правильно описывать жесткую область столкновений

- Учет ближних корреляций поперечных импульсов, возникающих в момент фрагментации струны

 6) 2022г:

- Детальное исследование влияние учета этих эффектов на дальние корреляции множественностей и поперечных импульсов, факторы ядерной модификации и сильно интенсивных флуктуаций в столкновениях адронов и ядер при энергиях SPS и LHC.

7) Планируются оценка, поддержка, использование существующих инфраструктурных проектов обработки больших данных,таких как DataLake и WLCG (2021г). Оптимизация локальных вычислительных структур для работы с этими проектами. (2022г)

 

8) Будут проведено моделирование параметров детекторных систем на основе монолитных активных пиксельных сенсоров, с целью построения новых детекторных комплексов. На основе новых углекомпозитных материалов будут разработаны технологии производства сверхлегких структур поддержки детекторных комплексов (2021г).

 9) В работе предполагается анализ применимости полученных технологических  решений для использования в фундаментальных исследованиях в области ядерной физики и физики высоких энергий, а также для решения прикладных задач в области радиационного материаловедения и ядерной медицины (2022г).

 

 

 

 

 

 

4.3.7.7. Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту (в данном пункте заполняется текстовое описание задела, а размещение прочей подтверждающей информации описано в п. 4.3.20).

 

1) В рамках модели кварк-глюонных струн ранее был проведен анализ дальних по быстроте корреляций множественностии сильно интенсивных переменных в экспериментальных данных коллаборации ALICE по pp взаимодействиям на БАК. [V.V. Vechernin, Forward-backward correlationsbetween multiplicities in windows separated in azimuth and rapidity, Nucl. Phys. A 939 (2015) 21-45, E. Andronov, V. Vechernin, Strongly intensive observable between multiplicities in two acceptance windows in a string model, Eur. Phys. J. A 55 (2019) 14_1-12,V. Vechernin, E. Andronov, Strongly Intensive Observables in the Model with String Fusion, Universe 5 (2019) 15_1-12, Andronov, E., Vechernin, V. Multiplicity Correlations with Strongly Intensive Quantities. Phys. Part. Nuclei 51, 337–339 (2020).https://doi.org/10.1134/S106377962003003X]

 

2) Разработана модель, позволяющая учесть, путем введения решетки (грида) в плоскости прицельного параметра, эффекты слияния кварк-глюонных струн и образования струнных кластеров при взаимодействии адронов высоких энергий [S. Belokurova, V.Vechernin, Long-Range Correlations between Observables in a Model with Translational Invariance in Rapidity, Symmetry, 2020, 12, 1107_1-12 (ImpactFactor журнала Symmetry = 2.645) https://doi.org/10.3390/sym12071107, S.N.Belokurova, V.V. Vechernin. Strongly intensive variables and long-range correlations in the model with a lattice in the transverse plane. Theor. Math. Phys. 200 (2019) 1094–1109, Vechernin, V.V. Asymptotic behavior of the correlation coefficients of transverse momenta in the model with string fusion. Theor. Math. Phys. 2017, 190, 251–267, S.N. Belokurova and V.V. Vechernin, “Calculation of Long-Range Rapidity Correlations in the Model with String Fusion on a Transverse Lattice”, Physics of Particles and Nuclei, 2020, Vol. 51, No. 3, pp. 319–322. DOI: 10.1134/S1063779620030053, V. Vechernin, Short- and long-range rapidity correlations in the model with a lattice in transverse plane, EPJ Web Conf. 191 (2018) 04011_1-8,S. Belokurova, Asymptotes of multiplicity and transverse momentum correlation coefficients at large string density. EPJ Web Conf. 191 (2018) 04010,Vechernin, V.V. Correlation Between Transverse Momenta in the String Fusion Model. Theor. Math. Phys. 2015, 184,1271–1280]

 

3) Исполнители проекта являются участниками эксперимента NA61/SHINE. Проводился анализ дальних быстротных корреляций в p+p и Be+Be столкновениях, по результатам которого опубликованы следующие статьи: A.A. Seryakov (for the NA61/SHINE Collab.), Energy scan of correlations in p+p and Be+Be from NA61/SHINE, J.Phys.Conf.Ser. 668 (2016) 1,012077B.A. Seryakov (for the NA61/SHINE Collab.), Correlations and fluctuationsin p+p and Be+Be at the SPS energies from NA61/SHINE, EPJ Web Conf. 126 (2016)04044C. E. Andronov (for the NA61/SHINE Collab.), $N-N$, $P_{T}-N$ and$P_{T}-P_{T}$ fluctuations in nucleus-nucleus collisions at the NA61/SHINE experiment, KnE Energ.Phys. 3 (2018) 226-233  D.S. Prokhorova (for the NA61/SHINECollab.), Pseudorapidity dependence of multiplicity and transverse momentum fluctuations at the SPS energies, EPJ Web Conf. 204 (2019) 07013E.  G. Feofilovet al., Proc. of Baldin ISHEPP XVII, Volume I, 222 (2005)

 

4) Исполнители проекта являются участниками эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере. Ранее были впервые получены в эксперименте ALICE в протон-протонных столкновениях на БАК значения коэффициентов дальних корреляций множественности при трех значениях энергии столкновения, выполнен анализ и сделаны выводы о роли ближних и дальних корреляций в процессах множественного рождения заряженных частиц в адронных столкновениях на БАК. Опубликована статья: J. Adam et al. (ALICE Collaboration). Forward-backward multiplicity correlations in pp collisions at √s = 0.9, 2.76 and 7 TeV. JHEP 05 (2015) 097.4.3.7.8.

 

5) Разработана и усовершенствована Модифицированная глауберовская модель [A. Seryakov, G.Feofilov  AIP Conf.Proc. 1701 (2016)070001,  T. Drozhzhova, G. Feofilov, V.Kovalenko, A. Seryakov. PoS (QFTHEP 2013) 053, 2013],  в которой учитывается последовательное уменьшение импульсов налетающих нуклонов с каждым последующим нуклон-нуклонным соударением.

 

6) Ранее была разработана и получила развитие модель мультипомеронного обмена с коллективными эффектами. [N. Armesto, D. A. Derkach & G. A. Feofilov Physics of Atomic Nuclei volume 71, pages 2087–2095(2008)], ["Multi-pomeron exchange model for pp and ppbar collisions at ultra-high energy" E. Bodnia, D. Derkach, G.A.Feofilov, V. Kovalenko and A. Puchkov PoS(QFTHEP 2013)060]. Разработан новый вариант мультипомеронной модели для описания <pt>-Nch  корреляций в центральном окне по быстроте,  средней множественности и среднего поперечного импульса от энергии в pp и p\bar p-столкновениях в пределах от 17 ГэВ до 13000 ГэВ. В рамках данной модели удалось успешно описать экспериментальные данные по средней множественности. Существенно, что модель содержит всего два свободных параметра, зависимость которых от s определяется с помощью фитирования экспериментальных данных. Были сделаны предсказания для экспериментов на FCC с энергией 100 ТэВ. Было показано, что модель качественно правильно описывает экспериментальные данные по выходам странных и мультистранных частиц и тяжелых ароматов.

 

7) Для описания быстротных корреляций между множественностями и среднесобытийными значениями поперечного импульса была разработана модель с двумя типами источников, являющаяся простейшим способом описания коллективности в столкновениях ядер. Были получены нетривиальные зависимости коэффициентов корреляции от начальной плотности источников, в частности был получен переход от отрицательных значений pT-N корреляций к положительным с ростом флуктуаций в начальной плотности источников. [E.V. Andronov, Theor. Math. Phys. 185 (2015) no.1, 1383-1390; E.Andronov, V. Vechernin, AIP Conf.Proc. 1701 (2016) 060003 ]

 

8) Коллектив имеет опыт практических разработок и создания вершинных детекторов двух поколений для эксперимента ALICE  --Inner Tracking System (ITS-1 ), Technical Design Report, CERN/LHCC 99-12. ALICETDR 4, 18 June 1999, и новейшей  ITS-2:  (B. Abelev, et al. (ALICE), Technical Design Report for the Upgrade of the ALICE Inner Tracking System, Tech. Rep.CERN-LHCC-2013-024. ALICE-TDR-017 (2014), URL  https://cds.cern.ch/record/1625842),  а также и  Вершинного детектора  Vertex Detector (VD)   для NA61/SHINE [Grigory Feolov (for NA61/SHINE Collaboration), NA61/SHINE vertex detector for open charm measurements, J.Phys.: Conf. Ser. 668 (2016) 012012].

 

9) Разработаны исследованы сверхлегкие углекомпозитные конструкции для внутренней трековойсистемы эксперимента ALICE

V.I.Zherebchevsky, I.G. Altsybeev, G.A. Feofilov, A. Francescon, C. Gargiulo, S.N. Igolkin, E.B. Krymov, E. Laudi, T.V. Lazareva, N.A. Maltsev, M. Gomez Marzoa, N.A.Prokofiev and D.G. Nesterov “Experimental investigation of newultra-lightweight support and cooling structures for the new Inner Tracking System of the ALICE Detector”, Journal of Instrumentation, 13, T08003, 2018.

 

10) Предложена концепция вершинного детектора для установки MPD коллайдера NICA [V.I.Zherebchevsky, V.P. Kondratiev, V.V. Vechernin, S.N. Igolkin, The concept ofthe MPD vertex detector for the detection of rare events in Au+Aucollisions at the NICA collider, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research,A 985 (2021) 164668 https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164668 ]

 

11) Коллектив имеет большой задел по анализу экспериментальных данных с детекторов  ALICE и NA61/SHINE, а именно, по измерениям флуктуаций и корреляций выходов частиц в протон-протонных и ядро-ядерных соударениях, результаты предыдущих исследований исследований вошли в  ряд статей от имени коллабораций.

 

 

 

 

4.3.7.8. Детальный план работы на первый год выполнения проекта.

 

1) Планируется определение характеристик кластеров кварк-глюонных струн на основе модельного анализа данных эксперимента ALICE на БАК. Для этого планируется в рамках модели со слиянием струн на поперечной решетке провести теоретические расчеты сильно интенсивной переменной, характеризующей корреляции между множественностями частиц в двух разделенных интервалах быстроты в рр столкновениях для эксперимента ALICE на БАК для нескольких начальных энергий. Провести модельный анализ зависимости этой переменной от центральности столкновения и путем сравнения полученных теоретических результатов с экспериментальными данными коллаборации ALICE извлечь информацию о параметрах, характеризующих кластеры с различным числом слившихся струн - их корреляционные функции и среднюю множественность частиц от их распада.

 

2) Планируется разработка критериев отбора событий (в том числе по центральности) для данных, накопленных экспериментом NA61/SHINE, по столкновениям ядер свинца при импульсе пучка 13 и 30 A GeV/c. Поиск периодов набора статистики с проблемами в работе детекторов, отбрасывание соответствующих периодов для последующего анализа. Модернизация программного пакета по подсчету дальних корреляций с учетом разработанных критериев. Построение зависимостей коэффициентов корреляций от ширины, положения окон и центральности столкновений. Расчет статистических погрешностей.

 

3) В рамках мультипомеронной модели, а также общедоступных моделей (таких как PYTHIA8, EPOS, SMASH) предлагается провести расчеты так называемых модифицированных комбинантов распределения по множественности при энергиях, достигаемых на Большом адронном коллайдере.

 

4) В рамках монте-карловской модели pp, pA и AA столкновений со слиянием струн будет выполнена:

4.1) Реализация эффективного дипольного партонного каскада с учетом Лоренц-инвариантности наблюдаемых величин. Таким образом в модели не останется ни одного параметра, зависящего от энергии столкновения

4.2) Учет бегущей константы связи, что позволит более правильно описывать жесткую область столкновений

4.3) Учет ближних корреляций поперечных импульсов, возникающих в момент фрагментации струны

4.4) Произведена настройка параметров и сравнение основных величин, таких как сечение, множественность, pt-распределение, с экспериментальными данными

 

5) Будет выполнена оценка, поддержка, использование существующих инфраструктурных проектов обработки больших данных, таких как DataLake и WLCG.

 

6) Будут проведено моделирование параметров детекторных систем на основе монолитных активных пиксельных сенсоров, с целью построенияновых детекторных комплексов. На основе новых углекомпозитных материалов будут разработаны технологии производства сверхлегких структур поддержки детекторных комплексов.

 

4.3.7.9. Ожидаемые научные и (или)научно-технические результаты

 

В результате выполнения работ по проекту будут получены новые фундаментальные результаты, соответствующие мировому уровню исследований. Будет проанализирована также возможность практического применения некоторых результатов и технологий данного проекта в медицине

Планируется получить следующие результаты:

 

1) Будет разработана  теоретическая модель и выполнены численные расчеты физических явлений, связанных с образованием и взаимодействием кварк-глюонных струн в ядро-ядерных столкновениях при высоких энергиях.

2) Будет выполнен модельный анализ данных экспериментов  ALICE на БАК и  NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН и выявление признаков образования кластеров кварк-глюонных струн.

3) На основе результатов модельных теоретических расчетов будут сформулированы требования к оптимизация проектируемых и существующих детекторов, использующихся при изучении ядро-ядерных столкновений в экспериментах ALICE на БАК и  NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН.

4) Будет выполнена оптимизация доступа к большим данным для решения задач моделированияи оценки моделей на основе реальных данных экспериментов ALICE на БАК и  NA61/SHINE на SPS в ЦЕРН.

5) Будут выработаны требования и оптимизация технологии производства новых сверхлегких материалов для новейших радиационно-прозрачных детекторным комплексов

6) Будут проанализированы возможности практических применений в медицине разработок данного гранта по доступу к большим данным

 

Достоверность ожидаемых расчетов, результатов и выводов будет контролироваться проверкой численных монте-карловских расчетов аналитическими выкладками в частных случаях, сравнением предельных случаев с ранее опубликованными результатами, сопоставлением результатов ряда альтернативных подходов, а также сравнением с экспериментальными данными с разных установок в широком диапазоне энергий.

Будет обеспечено совместное использование в проекте структур WLCG, DataLAke и локальных вычислительных мощностей.


Результаты данной НИР войдут в магистерские и кандидатские диссертации исполнителей проекта, а также будут использованы в учебном процессе на кафедре физики высоких энергий и элементарных частиц и на кафедре ядерно-физических методов исследования. Результаты данных исследований будут также использованы для модернизации учебных курсов СПбГУ, разработанных и читаемых руководителем и исполнителями данного гранта: “Релятивистская ядерная физика”, “Теория сильного взаимодействия”, “Квантовая теория рассеяния”, “Квантовая хромодинамика”,“Дополнительные главы релятивистской ядерной физики”, "Электромагнитные и слабые взаимодействия в атомных ядрах" и “Физика элементарных частиц” (ДОП Инновационные подходы к преподаванию естественнонаучных дисциплин в высшей школе 21-ого века)

 

4.3.7.10. Планируемый объем дополнительно привлеченных средств из внешних по отношению к СПбГУ источников за весь период выполнения проекта.

 

Для выполнения работ по участию СПбГУ в работах, ведущихся в настоящее время по модификации Внутренней трековой системы ALICE при общей координации со стороны НИЦ "Курчатовский институт", ранее для СПбГУ был запланирован объем финансирования на 2020 год в размере 8 млн руб и 12 млн руб на 2021 год. В связи со сложившейся в 2020 году сложной финансовой ситуацией по обеспечению участия всех российских институтов в программе модификации экспериментов ATLAS, CMS, ALICE и LHCb на БАК, и также в связи с корректировкой планов ЦЕРН по запуску коллайдера, можно ожидать переноса этих дополнительно привлеченных средств из внешних по отношению к СПбГУ источников на 2021 и 2022 годы. Кроме того, группа сотрудников СПбГУ - участников данного проекта входит в состав коллаборации MPD на коллайдере NICA и для целей подготовительных работ на 2021 год привлечены внешние средства двух грантов РФФИ-мега в общей сумме 8 млн руб. Еще в 2021 году в СПбГУ будет продолжено выполнение гранта РНФ на сумму 5 млн руб.

Short titleЦифровизация, автоматизация и инжиниринг высокотехнологичных интеллектуальных производств новых материалов и изделий
AcronymM1_2021 - 1
StatusActive
Effective start/end date23/03/2131/12/21

Funding

  • Saint Petersburg State University: RUB7,800,000.00