Известно, что глобальное сохранение пространственной четности - хорошо установленная симметрия сильных взаимодействий. До настоящего момента не было обнаружено никаких свидетельств нарушения P- и CP-симметрии в сильных взаимодействиях. Однако общепризнанная теория сильных взаимодействий - КХД допускает ее локальное нарушение вследствие больших топологических флуктуаций при высокой температуре и образования конфигураций ненулевого топологического заряда. Необходимым условием наблюдения этих эффектов является достаточно долгое время жизни горячей капли, что достижимо в центральных ядро-ядерных столкновениях на LHC.
В работах А.А.Андрианова и соавторов (Phys. Lett. B 678 (2009) 416, Phys.Rev. D90, 034024 (2014) ) было показано, что эффект локального несохранения четности можно проверить экспериментально путем анализа выходов дилептонных пар в области малых инвариантных масс в столкновениях тяжелых ионов. Для этого потребуется одновременное сканирование и по инвариантной массе, и по углу разлета лептонов от распадов, что до сих пор не было выполнено в эксперименте. При этом в случае ненулевого аксиального химического потенциала в части фазового пространства происходит поляризационное расщепление спектральных функций ро- и омега-мезонов с образованием характерной двухпиковой структуры.
Еще одним проявлением локального нарушения четности может стать наблюдение распадов легких адронов в специфических каналах, которые запрещены глобальным сохранением четности (A.Andrianov et al, Eur. Phys.J. C73 (2013) no.1, 2294, EPJ Web of Conferences 158, 03012 (2017), arXiv:1710.01760 [hep-ph] ). К таким процессам относятся распады скалярного заряженного a0 мезона на фотон и заряженный пион, а также в три заряженных пиона.
Данный проект направлен на проработку экспериментальных возможностей проверки этих предсказаний путем анализа данных эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере. Для предложенного экспериментального анализа требуется высокая статистика, хорошее качество восстановления треков, высокая эффективность отбора дилептонных пар и исключительная чистота идентификации лептонов. Все эти возможности есть у эксперимента ALICE на LHC.
Кроме того, за период 2019-2021 (Long Shutdown 2) год экспериментальные системы ALICE претерпели существенную модернизацию, направленную как на улучшение разрешающих способностей детекторных систем, так и десятикратное увеличение светимости. Таким образом, значительная часть проекта предусматривает монте-карловское моделирование в условиях Run 3, при этом ожидаемые сигналы нарушения пространственной четности буду симулироваться с учетом отклика установки как в условиях Run 1-2 (до модернизации), так и Run 3. По наиболее перспективным направлениям будет выполнен анализ реальных данных эксперимента ALICE.
Конечная цель исследования состоит либо в обнаружении локального несохранения пространственной четности в КХД, либо установления ограничений на величину аксиального химического потенциала (μ5).
Новизна проекта состоит в том, что предлагается выполнить впервые анализ угловой зависимости спектральной функции ро- и омега-мезонов и поиск адронных распадов с нарушением пространственной симметрии в столкновениях тяжелых ионов при энергии LHC. Актуальность и научная значимость проведения данных исследовательских работ также определяются их востребованностью не только для целей и задач исследований материи в экстремальном состоянии, ведущихся на LHC в ЦЕРН, но и возможностью применения в экспериментах на коллайдере НИКА в ОИЯИ (г.Дубна), STAR и PHENIX на RHIC (BNL), а также и в экспериментах на фиксированной мишени NA61/SHINE (CERN), и строящемся CBM на FAIR (Дармштадт).
Пространственная симметрия (P-симметрия) - это поведение системы при преобразовании пространственного отражения (отражения в зеркале). В зависимости от того, как ведет себя волновая функция при этом преобразовании, сохраняется неизменной или меняет знак, выделяют положительную и отрицательную четность. Известно, что в электромагнитных и сильных ядерных взаимодействиях P-четность сохраняется. Однако общепризнанная теория сильных взаимодействий - КХД допускает ее локальное нарушение в конечном объеме порядка размера ядра в течении некоторого промежутка времени. В данном проекте производится поиск такой фазы в столкновениях ядер при высокой энергии в экспериментальных данных установки ALICE на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН). Проверяются предсказания теоретических работ, указывающих на возможность проявления эффектов несохранения четности в релятивистских столкновениях ядер.
1. Были подготовлены и протестированы программные пакеты для анализа данных с учетом информации от различных детектирующих систем ALICE: global tracks (ITS+TPC), PCM tracks, Muon ARM, PID, Centrality Selection. Был реализован код анализа распределений по спектрам инвариантных масс с помощью одномерных и двумерных гистограмм (в т.ч. диаграмм Далица, а также угловых распределений), вычитание фона с помощью метода смешанных событий с расширенным пулом (не менее 20 событий) с разделением на классы по центральности и другим параметрам.
2. На основе монте-карловскихого генератора событий Pythia 8 реализована модель ядро-ядерных столкновений, учитывающая эффекты локального нарушения пространственной четности в сильных взаимодействиях (в распадах a0 мезонов в pi+- gamma и 3pi+-, а также rho, omega в лептоны). Реализован запуск генерации на grid-ресурсах коллаборации ALICE в пределах требуемой для анализа статистики событий.
3. Выполнен анализ монте-карловских данных с учетом встраивания эффектов, вызванных локальным несохранением четности.
3.1 Анализ спектров инвариантных масс ди-лептонов в области малых масс в монте-карловской модели был выполнен для распадов легких векторных мезонов (ро и омега) в ди-электроны и ди-мюоны в аксептансе времяпроекционной камеры и внутренней трековой системы экперимента ALICE на LHC. в центральной области быстрот и мюонной системе в передней области быстрот. Был произведен учет разрешающей способности детектирующих систем ALICE в условиях LHC Run 1+2 и LHC Run 3 (после модернизации). Показано, что модернизация детектора ALICE во время Long Shutdown 2 значительно улучшает возможность проведения этих экспериментальных исследований по поиску несохранения четности в сильных взаимодействиях.
Оценка значимости ожидаемых эффектов включат в себя одновременный учет статистики событий и разрешающей способности детектирующих систем. Имеющиеся оценки коллаборации ALICE [E. Garcia-Solis, Nucl. Part. Phys. Proc. 267–269, 382–391 (2015)], свидетельствуют что отношение сигнала к фону R=S/B при полной ожидаемой статистике Run3 для пика легких мезонов составляет порядка S/B~4, а статистическая значимость пика S/sqrt(S+B)~200. Таким образом, даже расщепление спектра, сопровождающееся провалом в 5%, будет статистически значимым (>5 sigma).
Было показано, уровень расщепления поляризаций зависит не только от величины аксиального химического потенциала, но и от его флуктуаций. Если относительная флуктуация не превышает 50%, получающееся размытие сохраняет в достаточной степени проявление эффекта расщепления поляризаций.
Отдельно были исследованы флуктуации аксиального хим. потенциала, вызванные эволюцией кварк-глюонной среды, и показано, что они составляют ~40%.
3.2 Была исследована возможность наблюдения распадов а0 мезонов, нарушающих четность. Был изучен спектр инвариантных масс pi+-gamma-пар, полученных в генераторе Монте-Карло PYTHIA с включенным каналом гамма-распада от a0 до pi+. В результате была получена оценка на минимальное количество событий столкновений pp и Pb-Pb для статистически значимого сигнала распада, нарушающего P-четность.
Если считать, что вероятность распада a0 в pi+- gamma составляет порядка 0.001% (что можно ожидать для аксиального химического потенциала 500 МэВ и переданного импульса 128 МэВ), то для обнаружения этого распада, потребуется большая статистика событий: порядка 10^12 столкновений протонов или 10^10 столкновений свинец-свинец. В реальном эксперименте ухудшить картину может неидеальная идентификация частиц и неполная эффективность регистрации фотонов.
Для распада a0 в три пи мезона можно ожидать вероятность распадов на два порядка выше, чем в pi+gamma канале, что позволит производить такой экспериментальный поиск при уже наколпенной статистике данных в ALICE. Более точные оценки требуют дополнительного теоретического анализа.
4. Был выполнен начальный физический анализ экспериментальных данных ALICE LHC Run 1+2 по исследованию распределений инвариантной массы для gamma+pi{+-}, и 3pi{+-} и спектру инвариантных масс ди-мюонов в области малых масс.
Были построены двумерные распределения спектров ди-мюонов по инвариантной массе и углу между лептонами. Было установлено, что слабые ограничения на pT мюонов позволяют в лучшей степени выполнить угловой анализ, однако ухудшают наблюдаемую разрешающую способность статистическую значимость пиков. С другой стороны, жесткие каты по pt затрудняют угловой анализ. В связи с этим более перспективными выглядят условия LHC Run 3.
Были подготовлены и протестированы программные пакеты для анализа данных с учетом информации от различных детектирующих систем ALICE: global tracks (ITS+TPC), PCM tracks, Muon ARM, PID, Centrality Selection. Был реализован код анализа распределений по спектрам инвариантных масс с помощью одномерных и двумерных гистограмм (в т.ч. диаграмм Далица, а также угловых распределений), вычитание фона с помощью метода смешанных событий с расширенным пулом с разделением на классы по центральности и другим параметрам. Управление грид-вычислениями осуществляется посредством грид-среды AliEn.
На основе монте-карловскихого генератора событий Pythia 8 реализована модель ядро-ядерных столкновений, учитывающая эффекты локального нарушения пространственной четности в сильных взаимодействиях (в распадах a0 мезонов в pi+- gamma и 3pi+-, а также rho, omega в лептоны).
Были выполнены следующие модификации:
1. Расщепление спектральных функций легких векторных мезонов (ро и омега) по поляризациям в распадах в ди-лептоны.
Для модификации массы левой и правой поляризации векторного мезона в зависимости от импульса использовалась формула, полученная ранее в работе [V. Kovalenko, A. Andrianov, V. Andrianov // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1690. P. 012097.], в рамках модели векторной мезонной доминантности с учетом радиационных поправок. Степень расщепления пропорциональна значению аксиального хим. потенциала (μ_5).
2. Реализованы распады легкого скалярного заряженного мезона a0 по каналам с явным несохранением четности a0→pi+gamma, и a0→ 3pi. Соответствующие каналы распада были добавлены в таблицу распадов. Доля таких распадов является параметром модели. Она зависит от величины аксиального хим. потенциала (μ_5) и растет с увеличением μ_5.
Был выполнен анализ монте-карловских данных по наблюдаемым величинам с учетом эффектов, вызываемых локальным несохранением четности.
Анализ спектров инвариантных масс ди-лептонов в области малых масс в монте-карловской модели был выполнен для распадов легких векторных мезонов (ро и омега) в ди-электроны и ди-мюоны в аксептансе времяпроекционной камеры и внутренней трековой системы экперимента ALICE на LHC. в центральной области быстрот и мюонной системе в передней области быстрот. Был произведен учет разрешающей способности детектирующих систем ALICE в условиях LHC Run 1+2 и LHC Run 3 (после модернизации). Показано, что модернизация детектора ALICE во время Long Shutdown 2 значительно улучшает возможность проведения этих экспериментальных исследований по поиску несохранения четности в сильных взаимодействиях.
Произведена оценка значимости ожидаемых эффектов на основе ожидаемой статистики событий и разрешающей способности детектирующих систем.
Было показано, уровень расщепления поляризаций векторных мезонов зависит не только от величины аксиального химического потенциала, но и от его флуктуаций. Если относительная флуктуация не превышает 50%, получающееся размытие сохраняет в достаточной степени проявление эффекта расщепления поляризаций.
Поскольку было найдено, что возможность обнаружения эффектов локального несохранения четности существенно зависит не только от величины аксиального хим. потенциала, но и от его флуктуаций, была выполнена оценка флуктуаций μ5, вызванная процессом эволюции сильновзаимодействующей среды от момента термализации до фризаута.
Для этого было произведено моделирование эволюции плотности аксиального заряда (ρ5) в центральных ядро-ядерных столкновениях в рамках модели релятивистской вязкой гидродинамики MUSIC. Было показано, что для центральных ядро-ядерных столкновений эти флуктуации составляет порядка ~40%, что не разрушают возможность поиска расщепления поляризаций векторных мезонов в данных LHC Run 3.
Была исследована возможность наблюдения распадов а0 мезонов, нарушающих четность. Был изучен спектр инвариантных масс pi+-gamma-пар, полученных в генераторе Монте-Карло PYTHIA с включенным каналом гамма-распада от a0 до pi+. В результате была получена оценка на минимальное количество событий столкновений pp и Pb-Pb для статистически значимого сигнала распада, нарушающего P-четность.
Были получены оценки для необходимого числа событий, позволяющих статистически значимо определить данные распады как для pp и Pb-Pb столкновений.
Для распада a0 в три пи мезона можно ожидать вероятность распадов на два порядка выше, чем в pi+gamma канале, что позволит производить такой экспериментальный поиск при уже накопленной статистике данных в ALICE. Более точные оценки требуют дополнительного теоретического анализа.
Был произведен начальный физический анализ экспериментальных данных ALICE LHC Run 1+2 по исследованию распределений инвариантной массы для gamma+pi{+-}, и 3pi{+-} и спектру инвариантных масс ди-мюонов в области малых масс.
Были построены двумерные распределения спектров ди-мюонов по инвариантной массе и углу между лептонами. Было установлено, что слабые ограничения на pT мюонов позволяют в лучшей степени выполнить угловой анализ, однако ухудшают наблюдаемую разрешающую способность статистическую значимость пиков. С другой стороны, жесткие ограничения по pt затрудняют угловой анализ. В связи с этим более перспективными являются условия LHC Run 3, благодаря как повышенной статистике, так и лучшей разрешающей способности треков в области малых поперечных импульсов.
Были подготовлены и протестированы программные пакеты для анализа данных с учетом информации от различных детектирующих систем ALICE.
На основе монте-карловскихого генератора событий Pythia 8 реализована модель ядро-ядерных столкновений, учитывающая эффекты локального нарушения пространственной четности в сильных взаимодействиях (в распадах векторных и скалярных легких мезонов)
Был выполнен анализ монте-карловских данных по наблюдаемым величинам с учетом эффектов, вызываемых локальным несохранением четности.
Показано, что модернизация детектора ALICE во время Long Shutdown 2 значительно улучшает возможность проведения этих экспериментальных исследований по поиску несохранения четности в сильных взаимодействиях.
Произведена оценка значимости ожидаемых эффектов на основе ожидаемой статистики событий и разрешающей способности детектирующих систем.
Поскольку было найдено, что возможность обнаружения эффектов локального несохранения четности существенно зависит не только от величины аксиального хим. потенциала, но и от его флуктуаций, была выполнена оценка данных флуктуаций, вызванная процессом эволюции сильновзаимодействующей среды.
Была исследована возможность наблюдения распадов а0 мезонов, нарушающих четность. Был изучен спектр инвариантных масс pi+-gamma-пар, полученных в генераторе Монте-Карло PYTHIA с включенным каналом гамма-распада от a0 до pi+. В результате была получена оценка на минимальное количество событий столкновений pp и Pb-Pb для статистически значимого сигнала распада, нарушающего P-четность.
Были получены оценки для необходимого числа событий, позволяющих статистически значимо определить данные распады как для pp и Pb-Pb столкновений.
Для распада a0 в три пи мезона можно ожидать вероятность распадов на два порядка выше, чем в pi+gamma канале, что позволит производить такой экспериментальный поиск при уже накопленной статистике данных в ALICE. Более точные оценки требуют дополнительного теоретического анализа.
Был произведен начальный физический анализ экспериментальных данных ALICE LHC Run 1+2 по исследованию распределений инвариантной массы для gamma+pi{+-}, и 3pi{+-} и спектру инвариантных масс ди-мюонов в области малых масс. Было установлено, что слабые ограничения на pT мюонов позволяют в лучшей степени выполнить угловой анализ, однако ухудшают наблюдаемую разрешающую способность статистическую значимость пиков. С другой стороны, жесткие ограничения по pt затрудняют угловой анализ. В связи с этим более перспективными являются условия LHC Run 3, благодаря как повышенной статистике, так и лучшей разрешающей способности треков в области малых поперечных импульсов.
Владимир Николаевич Коваленко, 55%
Виталий Валерьевич Петров, 40%
Игорь Геннадьевич Алцыбеев, 5%
Масштаб основной конкретной задачи по поиску новых эффектов в столкновениях релятивистских ядер 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.
На этапе подготовки анализа данных с новейших детекторов эксперимента ALICE на БАК в работе используется системный подход, включающий как теоретический анализ, так и численное моделирование исследуемых физических явлений с учетом влияния фоновых условий установок, анализ разрешающей способности детектирующих систем и выполнимости предложенных решений. 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.
Реальность сегодняшних дней состоит в том, что масштабные и прорывные современные поисковые исследования невозможны без привлечения технологий обработки больших объемов данных. Решаемая в проекте научная проблема анализа экспериментальных данных ALICE с целью поиска эффектов локального несохранения четности направлена на развитие технологии обработки больших объемов данных, поступающих с Большого адронного коллайдера. В рамках проекта предусмотрено использование инфраструктуры Мировой системы грид (WLCG), развитие методик обработки данных, монте-карловские грид-вычисления.
| Acronym | RSF_SRG_2022 - 1 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 1/01/22 → 31/12/22 |
|---|
