Thermodynamic characteristics of heavy ion collisions at NICA collider energies

Abstract

Релятивистская ядерная физика является стремительно развивающимся направлением физики высоких энергий. За последние десятилетия на ускорителях SPS (ЦЕРН) и RHIC (Брукхэйвен, США) получено большое количество экспериментальных данных, описывающих столкновения тяжелых ионов. Эти данные позволяют провести проверки не только теории возмущений квантовой хромодинамики, но и предсказанного в этой теории фазового перехода адроны — кварк-глюонная плазма. Фазовый переход адроны — кварк-глюонная плазма заведомо существовал в ранней Вселенной, поэтому столкновения релятивистских ядер можно рассматривать как модель процессов, происходивших при эволюции Вселенной. В земных условиях кварки и глюоны заключены в адроны. Однако при повышении температуры (нагрев) и/или увеличении плотности барионов (сжатие) может произойти фазовый переход в состояние, где обычных адронов больше не существует, а кварки и глюоны выходят за пределы нуклона и образуют единый кварковый мешок макроскопических размеров, в объеме которого они могут двигаться почти свободно. Материя, образующаяся в ультрарелятивистском столкновении тяжелых ионов, определенно представляет собой систему взаимодействующих кварков и глюонов. Она намного плотнее, чем та, которая образуется в более элементарных адронных или протонно - ядерных столкновениях. Более того, система, созданная в столкновениях тяжелых ионов, обладает высоким уровнем термализации и демонстрирует сильное коллективное поведение. Большое число частиц, рождаемых в центральных столкновениях тяжелых ионов на ускорителях, предоставляет уникальную возможность изучения пособытийных флуктуаций физических величин. Анализ отдельных событий с большой статистикой может дать гораздо более ценную информацию о состоянии ядерного вещества, чем изучение усредненных по событиям величин. В данной работе были проведены пособытийное определение термодинамических характеристик системы — температуры T и барионного химического потенциала и оценка возможности использования данного метода в сравнении с использованием усредненных значений. В результате работы было получено, что метод определения флуктуаций температуры и бариохимического потенциала от события к событию позволяет находить термодинамические характеристики ядерного вещества. Результаты согласуются с истинными значениями, которые были вычислены по данным с NA61/ SHINE. Также полученные в ходе пособытийного анализа значения и совпадают со значениями, полученными в эксперименте STAR.

Relativistic nuclear physics is a rapidly developing area of high-energy physics. During last decades at SPS (CERN) and RHIC (Brookhaven, USA) were received a large amount of experimental data describing heavy ion collisions have been obtained. These data allow validation not only of perturbation theory of quantum chromodynamics, but also predicted in this theory of hadron-quark-gluon plasma phase transition. The hadron-quark-gluon plasma phase transition certainly existed in the early Universe, so the collisions of relativistic nuclei can be considered as a model of the processes that occurred during the evolution of the Universe. Under special conditions, quarks and gluons are enclosed in hadrons. However, when temperature increases (heating) and/or baryon density increases (compression), a phase transition may occur to a state where ordinary hadrons no longer exist, and quarks and gluons move beyond the nucleon and form a single quark bag of macroscopic size, within which they can move almost freely. Matter formed in an ultra-relativistic collision of heavy ions is definitely a system of interacting quarks and gluons. It is much denser than that produced in more elementary hadronic or proton-nuclear collisions. Moreover, the system created in heavy ion collisions has a high level of thermalization and exhibits strong collective behavior. The large number of particles produced in central heavy-ion collisions at collider provides a unique opportunity to study fluctuations of physical quantities. The analysis of individual events with large statistics can provide much more valuable information on the state of nuclear matter than the study of event-averaged quantities. In this work, we carried out an event-by-event determination of the thermodynamic characteristics of the system-the temperature T and the baryochemical potential-and evaluated the possibility of using this method in comparison with the use of averaged values. As a result of the work, it was obtained that the method of determining the fluctuations of temperature and baryochemical potential from event to event allows us to find the thermodynamic characteristics of nuclear matter. The results are in agreement with the true values, which were calculated from data from NA61/ SHINE.