Проекты XXI века

Задел на будущее:
аналитика данных MPD

В номинации "За научно-методические и научно-технические работы" второй премии ОИЯИ за 2020 год удостоен цикл работ "Разработка и программная реализация эффективных методов моделирования, реконструкции и анализа событий в установке NICA/MPD". Авторы: В.А.Васендина, В.В.Воронюк, А.И.Зинченко, Д.А.Зинченко, В.А.Киреев, В.И.Колесников, А.А.Мудрох, Й.Айхелин, Е.Л.Братковская.

Работы были выполнены в 2013-2020 гг. и опубликованы в научных журналах и материалах конференций в рамках темы "Развитие экспериментальной базы ОИЯИ для получения интенсивных пучков тяжелых ионов и поляризованных ядер с целью поиска смешанной фазы ядерной материи и исследования поляризационных эффектов в области энергий до _NN = 11 ГэВ", проект MPD.

Главной целью проекта NICA/MPD является исследование столкновений тяжелых ионов при энергиях _NN = 4-11 ГэВ для изучения свойств адронов в сверхплотной ядерной среде, а также определение уравнения состояния ядерной материи и свойств фазовых переходов, включая поиск возможных сигналов деконфайнмента, критической точки и частичного восстановления киральной симметрии. Физические задачи эксперимента очень амбициозны и чрезвычайно сложны не только вследствие больших неопределенностей в теоретических предсказаниях, но и в результате очень высокой точности, требуемой для измерения малых эффектов. Планируется проводить высокоточное сканирование фазовой диаграммы, варьируя энергию столкновения и размер сталкивающихся систем при изменении прицельного параметра и/или атомных весов пучков частиц. Значительная часть физической программы требует реконструкции и анализа физических пробников, несущих информацию о состоянии ядерной среды: дилептонов, частиц со странностью (гиперонов и гиперядер) и открытым очарованием. Следует подчеркнуть, что модели предсказывают довольно низкие выходы ряда пробников, планируемых для изучения, что делает задачу их реконструкции и выделения из фона очень трудной, особенно в условиях большой множественности рожденных частиц (порядка 1000 в аксептансе установки).

В состав многоцелевого детектора MPD в первой фазе его строительства будут входить время-проекционная камера TPC и время-пролетная система TOF для измерения импульсов и идентификации заряженных частиц, а также электромагнитный калориметр EMC для измерения энергий и идентификации электронов и фотонов.

Запуск комплекса NICA и начало научных экспериментов на установке MPD запланированы на 2023 г. К моменту появления первых экспериментальных данных в столкновениях тяжелых ионов должны быть разработаны и реализованы в программном обеспечении методы обработки и анализа экспериментальной информации, проведено их всестороннее тестирование на данных, полученных из реалистического Монте-Карло моделирования установки, а затем с их помощью созданы модельные распределения физических переменных, позволяющие провести сравнение с будущими экспериментальными результатами.

Результаты, полученные в рамках представленного цикла работ

1. Развитие и программная реализация транспортных моделей и генераторов для описания взаимодействий тяжелых ионов и подходов к описанию поляризационных эффектов в этих взаимодействиях.

На основе транспортной модели PHSD (Parton-Hadron-String Dynamics) создан новый генератор PHQMD (Parton-Hadron-Quantum-Molecular Dynamics) с динамическим образованием ядерных кластеров и гиперядер. Получены предсказания для области энергий NICA в виде Монте-Карло файлов для дальнейшего использования при моделировании характеристик установки MPD. В рамках генератора PHQMD реализован подход для включения различных уравнений адронного состояния.

Исследовалась завихренность ядерной среды, образующейся в нецентральных столкновениях тяжелых ионов в транспортной модели PHSD. В рамках термодинамического подхода Becattini получена оценка глобальной поляризации лямбда-гиперонов во вращающейся среде на изохронном фризауте. Найденные значения для частиц находятся в соответствии с экспериментальными данными. Дальнейшее развитие подхода предусматривает изучение разницы поляризации частиц и античастиц и исследование поляризации на химическом фризауте. Полученные в модели файлы можно использовать для моделирования и анализа характеристик детекторной установки.

2. Развитие и программная реализация методов восстановления событий в установке MPD.

Для оценки физического потенциала установки и степени адекватности ее характеристик заявленным физическим целям был создан пакет программ реконструкции траекторий заряженных частиц (треков) во время-прекционной камере ТРС, основанный на фильтре Кальмана. В диапазоне по псевдобыстроте || < 1,2, ограниченном размерами TPC, получена достаточно высокая эффективность реконструкции треков (~90-100% начиная с импульса p_T > 0,1 ГэВ/c) как для первичных частиц, так и для вторичных. Достигнута точность восстановления первичной вершины в поперечном и продольном направлении пучка ~0,15 мм в центральных соударениях при множественности треков в TPC > 500, импульсное разрешение лучше 2% при p_T < 1,5 ГэВ/c. С использованием информации об ионизационных потерях dE/dx в газе TPC и о времени пролета во время-пролетной системе TOF, позволяющей восстановить квадрат массы частиц m², получено хорошее разделение частиц: для /K вплоть до импульса 1,5 ГэВ/c, а для K/p - до 3 ГэВ/c.

В целях получения более обоснованных предсказаний моделей и подготовки программного обеспечения для обработки экспериментальных данных следовало провести моделирование установки с реалистичным описанием отклика детекторов. В связи с этим потребовалась соответствующая настройка алгоритмов и создание процедур реконструкции сигналов в детекторах. В частности, для определения координат и ионизационных потерь в ТРС по распределениям зарядов в считывающих камерах в условиях большой множественности был реализован метод, основанный на использовании процедур деконволюции распределений. Одним из важных результатов считается тот факт, что полученные оценки основных характеристик MPD достаточно близко воспроизвели более ранние, положенные в основу конструкции установки и в ее начальную физическую программу.

В планах развития установки предусмотрено создание и размещение детекторов в торцевой области для повышения ее герметичности, а также внутренней трековой системы на основе кремниевых детекторов для улучшения условий изучения короткоживущих частиц. Обоснование необходимости модернизации установки, выбор технологии и геометрии детекторов требуют их детального изучения с использованием моделирования и методов реконструкции треков, учитывающих их специфику, то есть, в конечном счете, адекватных ожидаемым характеристикам. В частности, для внутреннего трекера, основанного на кремниевых пиксельных детекторах нового поколения, были реализованы два подхода, позволившие показать, что будущая трековая система даст возможность проводить изучение очарованных частиц, несущих дополнительную информацию о свойствах горячей и плотной ядерной среды на ранних этапах ее эволюции. Рассмотрены области возможного применения методов обработки данных, основанных на машинном обучении, в эксперименте MPD.

3. Развитие и программная реализация подходов к выделению и анализу физических сигналов.

Изучение e⁺e^- пар (дилептонов) от распадов нейтральных векторных мезонов ( , , ) рассматривается как одна из приоритетных задач, так как эти пары являются лучшими кандидатами для изучения модификаций спектральных функций адронов в среде при предполагаемом частичном восстановлении киральной симметрии в ядро-ядерных соударениях, поскольку в плотной адронной материи они взаимодействуют только электромагнитно и поэтому несут точную информацию о характеристиках среды в момент их рождения. Это амбициозная задача, поскольку из-за огромного фона восстановление распадов , и на дилептоны очень чувствительно к качеству реконструкции и идентификации электронов. Поэтому в ходе анализа была проведена тонкая настройка процедуры комбинирования измерений (мэтчинга) TPC и TOF, а также идентификации электронов и позитронов для дополнительного подавления адронного фона. Полученное значение фактора подавления для пионов составило порядка 10⁵, а остаточная примесь от адронов с использованием идеального электромагнитного калориметра EMC составила около 1,5%. Показано, что MPD, состоящий из TPC, TOF и EМC, позволяет прецизионно измерять спектр легких дилептонов, в частности распады и мезонов на пары e⁺e^- с разрешением = 14-17 МэВ/c², при этом получать отношение сигнал/фон в диапазоне инвариантных масс от 0,2 до 1,5 ГэВ/с2 на уровне мировых стандартов. Полученные результаты наглядно продемонстрировали необходимость включения в состав MPD электромагнитного калориметра.

Рождение странных частиц, в частности гиперонов , ^±, ^±, представляет большой интерес, поскольку их повышенный выход в ядро-ядерных столкновениях по сравнению с выходом в элементарных рр-реакциях может служить указанием на образование кварк-глюонной плазмы. Гипероны также представляют собой удобный инструмент для тестирования и настройки программного обеспечения, потому что для их реконструкции требуется реконструкция дочерних треков, хорошее восстановление как первичной вершины взаимодействия пучков, так и вторичных вершин распадов. Важна также хорошая идентификация продуктов распада. Эта задача требует оптимизации программного обеспечения с точки зрения скорости работы для обработки больших объемов данных, необходимых для набора достаточной полезной статистики, особенно для анти-гиперонов с множественной странностью. Поэтому в ходе этого анализа были отлажены алгоритмы реконструкции и идентификации частиц, оптимизированы механизмы выделения сигнала и подавления фона. Как показало моделирование, даже стартовая версия MPD (в составе TPC и TOF детекторов) обеспечивает хорошую возможность изучать странные распады (в том числе каскады). При этом получается разрешение по массе , ^±, ^± порядка 2-3 МэВ/c², отношение сигнал/фон для разных гиперонов составляет от 5,7 до 10 при достаточно высокой эффективности реконструкции частиц.

В релятивистских столкновениях тяжелых ионов, где образуется множество странных частиц (каонов и гиперонов), появляется уникальная возможность для создания экзотических ядерных объектов со странностью - гиперядер ³H, ⁴H, ⁴He. Энергетический диапазон исследовательской программы на комплексе NICA охватывает область максимальной барионной плотности, где ожидается значительное увеличение вероятности рождения кластеров со странностью и тем самым увеличение сечения рождения легких гиперядер. Для их выделения и анализа важна качественная идентификация не только адронов, но и легких ядер, поэтому для выполнения этой задачи было дополнительно настроено разделение кривых ионизационных потерь дейтронов, тритонов, гелия-3 и гелия-4 в газе детектора TPC. В результате была продемонстрирована возможность выделения легких гиперядер в эксперименте по пику в распределении инвариантной массы продуктов распада.

***

Таким образом, международным коллективом авторов разработаны и реализованы новые современные пакеты программ, включающие в себя генератор событий для широкого круга задач, реалистичное описание отклика детекторов установки, реконструкцию и идентификацию частиц, а также методы выделения сигналов (преимущественно редких электромагнитных и странных пробников) для Монте-Карло моделирования и будущего анализа экспериментальных данных во флагманском проекте NICA/MPD.

Вся цепочка программ успешно настроена и протестирована в моделировании ряда физических задач.

Полученные результаты в основном подтвердили и уточнили физические параметры установки, заложенные в ее проект, и позволили конкретизировать физическую программу эксперимента. Результаты неоднократно представлялись на сессиях ПКК по физике частиц ОИЯИ, совещаниях коллаборации MPD, совещаниях Консультативного комитета детектора MPD, а также были представлены в 20 докладах на различных конференциях и опубликованы в 20 статьях в научных журналах.

Александр ЗИНЧЕНКО, ведущий научный сотрудник
НЭО физики столкновений тяжелых ионов на комплексе NICA, ЛФВЭ