CSR外靶上核物质状态方程的物理研究和实验准备

Exploiting the phase structure of strongly interacting material is the central question of heavy-ion physics research. It is an important method to study the equation of state (EOS) of the nuclear matter by colliding heavy nuclei into each other and creating hot matter with high baryon density. The EOS of this strongly coupled matter, especially its dependence on density, can be studied via properly chosen physical observables, among which the pi-/pi+ production ratio probes the symmetry energy, Esym(\rho), of the asymmetrical nuclear matter. It is believed to be crucial in many research fields such as the heavy nuclus property, the evolution of dense star and heavy-ion collision system. The Cooling Storage Ring (CSR) at Lanzhou, China is a heavy-ion facility that can accelerate nuclei up to 238U with a kinetic projectile energy of several hundred MeV to GeV. An External Target Experiment (ETE) is currently proposed for this study based on first-stage simulation and experimental work. To provide precise measurements and solid constraint to theory and models, experiment design and systematic requirements must be carefully studied.

重离子物理的中心问题是研究强相互作用物质的相结构。重离子碰撞产生高重子密度物质，是研究核物质状态方程的重要手段。通过选择合适的实验观测量，可以了解状态方程对称能随核物质密度的依赖性，对诸如重核素性质、致密天体演化以及重离子碰撞体系演化等研究领域有重要意义。兰州重离子加速器是我国唯一的此类装置，其上冷却储存环（CSR）的建成，为我国相关研究的开展提供了机遇。计划在CSR外靶上进行重离子碰撞发射带电pi介子产额的测量，针对非对称核物质在高重子密度区对称能的演化开展物理研究。为获得可靠的物理结果，需要充分的实验准备。根据CSR外靶已有的实验装置条件，通过理论模型、软件框架、探测器和读出电子学系统等方面的建设，为计划开展的实验打好基础。

本项目针对核物质在超饱和密度区状态方程中对称能密度依赖性这一基本物理问题，基于兰州重离子加速器冷却储存环（CSR）外靶实验条件，开展了系统的物理和实验研究。利用ART模型、AMPT模型、冲击波模型和组合模型等多种理论模型，在CSR及更高能区计算了重离子反应中强子、轻核和超核的产生问题，对粒子关联效应（HBT）进行了研究，并通过这些计算和研究，为CSR能区及其附近能区的重离子物理研究提供理论参考。同时针对CSR外靶实验现状，开展新建事例起始时间（T0）和触发探测器的预研和建造。该探测器使用新型多气隙电阻板室（MRPC）技术，采用基于信号前后沿定时NINO的前端电子学，以及基于FPGA-TDC的后端数字化读出方法。在探测器研制方面，通过借鉴为BESIII实验端盖飞行时间谱仪开展的MRPC研究，并根据CSR实验的特点，设计制作了多块MRPC样机，共包含80路读出单元+40路备份读出。通过搭建实验室宇宙线测试平台，检测了MRPC探测器工作性能。利用北京高能所E3测试束流和CSR外靶重离子测试束流分别对MRPC模块和T0系统进行了性能测试，分析结果表明本项目研制的MRPC模块时间分辨率可达40-60皮秒，T0探测器定时性能达140皮秒以下，满足实验预期和项目指标需求。在电子学方面，深入研究基于过阈时间法（TOT）同时进行信号电荷和时间的测量。为简化电子学系统结构、提高系统集成度，使用了高集成度的QTC专用集成电路配合高性能的TDC进行系统设计。先后完成原理方案研究、两个版本的电子学原理验证系统的设计和测试，形成最终方案并进行了80个通道的电子学系统的制作，最后配合探测器组装的T0系统顺利通过联调，成功开展束流实验，性能参数满足项目技术要求。同期开展相关软件系统建设和模拟研究，以Gaudi作为CSR外靶实验软件框架。利用Geant4进行探测器模拟，为优化实验设计、理解分析束流实验数据结果提供了依据。设计了探测器原始数据结构和完整事例数据结构，并在Gaudi框架下设计了数据转换服务和确定触发时间服务，并对CSR外靶实验径迹探测器进行了模拟。