Кварк-глюонная плазма как источник лептонов

высоких энергий

А.Г. Богданов, Р.П. Кокоулин, В.А. Окороков, А.А. Петрухин, М.Н. Стриханов

(НИЯУ МИФИ)

Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий»

ИТЭФ, Москва, 21-25 ноября 2011

Необходимость рассмотрения кварк-глюонной плазмы в

качестве источника лептонов высоких энергий возникла

при анализе и обобщении данных различных

экспериментов в области физики космических лучей

“Прямые” измерения энергетического спектра и массового состава первичных космических лучей (E0 < 1015 эВ)

K. Nakamura et al., J. Phys. G 37, 075021 (2010) H.S. Ahn et al., arXiv:1004.1123v1 [astro-ph.HE]

http://atic.phys.lsu.edu

ATIC

Широкие атмосферные ливни (ЯЭК)

Measurement Techniques of Air Showers

A. Haungs, CORSIKA school, Freudenstadt-Lauterbad, 2008

http://nuclphys.sinp.msu.ru

http://www-ik.fzk.de/KASCADE_home.html

KASCADE

Энергетический спектр и массовый состав первичных космических лучей по данным ШАЛ (E0 > 1015 эВ)

K. Nakamura et al., J. Phys. G 37, 075021 (2010)

J. Blumer et al. Progress in Particle and Nuclear Physics 63 (2009) 293

direct measurements

extensive air showers ??? E, A, interactions

Xmax

electrons, muons, hadrons

астрофизика и/или ядерная физика?

Требования к модели адронных (ядро-ядерных) взаимодействий при сверхвысоких энергиях

пороговое поведение (появление необычных событий, “излом” в спектре ШАЛ при энергиях больше нескольких ПэВ);

большое сечение (изменение наклона спектра ШАЛ);

большой орбитальный момент (феномен “выстроенности” в гамма-адронных семействах);

значительный выход лептонов (избыток высокоэнергичных мюонов и их групп, “проникающие” каскады и “длиннопробежная компонента”, “missing energy” – разность между энергией первичной частицы и измеряемой на установках энергией ШАЛ).

изменение развития ШАЛ (увеличение числа мюонов по отношению к числу электронов N / Ne и уменьшение темпа роста

глубины максимума развития ливней Xmax в области за изломом

спектра, missing energy)

Качественная модель изменения адронных взаимодействий при сверхвысоких энергиях

Сечение – переход от взаимодействия отдельных кварков к коллективному взаимодействию многих кварков (и глюонов)

Орбитальный момент (~ 104) – нецентральные соударения ионов (Jian-Hua Gao et al., 2008)

Порог – рождение нового физического объекта (частицы, состояния материи) с массой ~ 1 ТэВ

Образование “сгустка” кварк-глюонной плазмы (материи)

2 2~ ~ 1/M

~L s

2 2~ / 2V L mR

Образование t-кварков (высокоэнергичные мюоны и нейтрино, изменение развития ШАЛ)

Центробежный барьер:

(?)

2~ ( )R

Мюоны и нейтрино “быстрой” генерации

0 1 2 3 4 5 6 7100

101

102

103

104

dN/d

lgE

lg(E, ГэВ)

PYTHIA, std, Ep = 1016 эВ, N

pp = 104

Энергетические распределения мюонов и нейтрино: слева – стандартные pp взаимодействия,

справа – принудительное образование пар t-кварков в pp взаимодействиях.

Доля энергии, уносимая парой t-кварков, от энергии налетающего протона Ep (ЛС):

около 14% при Ep = 1016 эВ; 7% при Ep = 1017 эВ; 3% при Ep = 1018 эВ.

Доля энергии, уносимая мюонами и нейтрино быстрой генерации,

составляет в среднем 20% от энергии пары t-кварков.

( 100%), ( 33%), ( 67%)t Wb W l W qq

0 1 2 3 4 5 6 7100

101

102

103

104

dN/d

lgE

lg(E, ГэВ)

PYTHIA, tt, Ep = 1016 эВ, N

pp = 104

Мюоны космических лучей

Энергетический спектр мюонов на уровне моря по экспериментальным данным различных установок

103 104 105 106

0.01

0.1

Frejus, 1994 MACRO, 1995 LVD, 1998 Artyomovsk, 1988 Baksan, 1992 MSU, 1994, Baksan, 2009 model 1 model 2 model 3 model 4

E

3 dN/

dE,

cm

-2 s

-1 s

r-1 G

eV2

E, GeV

1

2

3

4

E.V. Bugaev et al., Phys. Rev. D58 (1998) 05401; Yu.F. Novoseltsev et al., Astrophys. Space Sci. Trans., 7 (2011) 483

Продольное развитие ШАЛ

0 200 400 600 800 10000

1x106

2x106

3x106

4x106

5x106

6x106

7x106

CORSIKA (QGSJET01c+GHEISHA2002d)

Ne (

E >

3 М

эВ)

X, г/см2

p N Fe

E0 = 1016 эВ, = 0o, 100 ШАЛ

Средние каскадные кривые (продольные профили) электронов ШАЛ: от разных первичных ядер (слева) и для разных сценариев первого взаимодействия (справа).

0 200 400 600 800 10000

1x106

2x106

3x106

4x106

5x106

6x106

7x106

Ep = 1016 эВ, = 0o, H1 = 24.3 км, 100 ШАЛ

Ne (

E >

3 М

эВ)

X, г/см2

std tt 10 Wb

PYTHIA+CORSIKA

Формирование спектра первичных космических лучей с учетом модели изменения адронных взаимодействий

E1 – энергия первичной частицы (ЛС),

E2 – измеряемая энергия ШАЛ,

1 = 2.7 и 2 = 3.1 – показатели наклона спектра

космических лучей до и после излома (knee)

2

1 1

2

2 ,

2

c t

c

m E E AE

m

1 4c 2 Nm m A

1 1t t

th th

4 ln 1.7E E

mE E

1 2

th knee

56E E

A

2dN dE

6knee 3 10 ГэВE

11 1/ ~dN dE E

масса мишени:

энергия, уносимая t-кварками:

пороговая энергия:

Результат интерпретации “излома” спектра космических лучей за счет изменения характера адронных

взаимодействий

Энергетические спектры основных групп ядер первичных космических лучей (изменение характера адронных взаимодействий сначала происходит для более тяжелых ядер).

Энергетический спектр первичных космических лучей (“all-particle”).

1015 1016 1017 1018 1019102

103

104

105

E2.

7 dN

/dE

, Гэ

В1.

7 м-2 с

-1 с

р-1

E, эВ

1 - All2 - H3 - He4 - CNO5 - NeMgSi6 - Fe

12

3

4

5

6

Рассмотренная модель изменения характера адронных

(ядро-ядерных) взаимодействий в области сверхвысоких

энергий позволяет объяснить большинство особенностей

поведения различных компонент ШАЛ

A + A КГП t-кварки ШАЛ*

Спасибо за внимание!

Иллюстрация нецентрального столкновения тяжелых ионов

Jian-Hua Gao et al., Phys. Rev. C, 77 (2008) 044902

Noncentral heavy-ion collision with impact parameter b. The global angular momentum of the produced dense matter is along − ˆy, opposite to the reaction plane.

Total orbital angular momentum of the overlapping system in Au+Au collisions at the RHIC energy as a function of the impact parameter b.

Иллюстрация космофизической модели poly-gonato

J. Horandel, Advances in Space Research 41 (2008) 442

Результаты измерения глубины максимума развития ШАЛ

P.K.F. Grieder, Extensive Air Showers: High Energy Phenomena and Astrophysical Aspects, 2010.

Схема эксперимента “Памир” и пример зарегистрированного события

A. Haungs et al., Rep. Prog. Phys., 66 (2003) 1145

Примеры “выстроенности” ЭВЦ гамма-адронных семейств в рентгеноэмульсионных камерах

Р.А. Мухамедшин, Письма в ЭЧАЯ, 2006, N 4 (133), с. 25; А.К. Манагадзе и др., Письма в ЭЧАЯ, 2002, N 3 (112), с. 19

“Проникающие” каскады

E. Gladysz-Dziadus, ЭЧАЯ, 2003, т. 34, вып. 3, с. 563

Энергетический спектр первичных космических лучей