Исследование процессов рождения частиц со странным кварком, образующихся во взаимодействиях пучков Σ- гиперонов, π- и нейтронов с ядрами и их распадов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, доктор физико-математических наук Завертяев, Михаил Васильевич

• Завертяев, Михаил Васильевич
• доктор физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Завертяев, Михаил Васильевич

1 Введение

2 Основные требования к гиперонному каналу эксперимента WA

2.1 Основные особенности конструкции канала.

2.2 Расчет потока гиперонов пучка.

3 Размещение элементов пучка

3.1 Выбор материала вторичной мишени

3.2 Идентификация частиц гиперонного пучка.

4 Спектрометр эксперимента WA

4.1 /х-стриповый кремниевый детектор.

4.2 Детектор переходного излучения.

4.3 Адронный калориметр.

5 Организация триггера

6 Парциальный состав гиперонного пучка

6.1 Идентификация Е~ и 7г~ составляющих.

6.2 Е~ составляющая.

6.3 и К" составляющие.

6.4 Пучки 7г~ и нейтронов.

7 Моделирование эксперимента

8 Физические модели

9 Нейтральные частицы V

9.1 Сечение рождения.

9.2 Учет фона в составе пучка

9.3 Систематические ошибки.

10 Первичная вершина взаимодействия

11 Каскадные гипероны

11.1 Учет фона в составе пучка.

11.2 Систематические ошибки.

12 Возбужденные состояния Н*-гиперонов

12.1 Sj530 и S56go гипероны.

12.2 Hjg2o и -i960 гипероны.

12.3 Сечение рождения Е* гиперонов.

13 Е-гипероны

13.1 Основное состояние -гиперонов.

13.2 Возбужденные состояния Е-гиперонов.

13.3 Сечение рождения £ гиперонов.

14 Возбужденные К*(890)-мезоны

15 Парное рождение V°V°

15.1 Сечения парного рождения V0.

15.2 Спектр эффективных масс К^К^.

15.3 Поиск сигнала от распадов Н-дибариона

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов рождения частиц со странным кварком, образующихся во взаимодействиях пучков Σ- гиперонов, π- и нейтронов с ядрами и их распадов»

Открытие более 50-ти лет назад частиц, получивших название "странных" сыграло революционную роль в физике элементарных частиц, приведя в конечном итоге к становлению идеи элементарной составляющей на новом структурном уровне материи - идее кварков [1, 2]. Последовавшее в 1974 г. открытие "очарованного" [3], а вскоре "прелестного" [4] кварков привело к смещению центра тяжести интересов в новую область исследований - физику тяжелых кварков, оставив широкие возможности для проведения оригинальных исследований по физике странного кварка. В последнее время, интерес к физике рождения странных частиц существенно возрос.

Экспериментальное исследование рождения странного кварка и последующих процессов адронизации в нуклон-ядерных столкновениях является чувствитеьной точкой для проверки и уточнения ряда существующих теоретических моделей, основанных на подходах Квантовой Хромодинамики (КХД), разработанных для описания мягких процессов, и применимости расчетов по КХД в рамках теории возмущения [5, 6, 7, 8, 9]. Например, используя пучки из разного типа частиц, можно изучать роль валентных кварков в процессах адронизации [5, 7, 10].

Частицы, содержащие странный кварк, являются существенной частью нашего понимания адронных систем при высоких плотностях. Так полагается, что в столкновениях тяжелых ядер рождение странных [11, 12), а также очарованных частиц [13,14,15,16,17,18,19], является чувствительным к состоянию окружающей ядерной материи. Подтверждения о необычных процессах рождения при высоких плотностях следует искать на пути сравнения результатов полученных в нуклон-нуклон, нуклон-ядро и ядро-ядерных столкновениях. Например, считается, что особенности рождения странных частиц в ион-ионных взаимодействиях при высоких энергиях будут являться указанием на рождение кварк-глюонной плазмы.

В астрофизике полагают, что на больших пространственных масштабах процессы с участием странного кварка играют важную роль в развитии ядер нейтронных звезд [20, 21, 22].

Классификация частиц со странным кварком давно установлена ([23]) но перечисление частиц, приводимое ниже, ей не следует, а оно сделано исходя из прагматических прикладных целей проводимого исследования. А именно, упрядочить наблюдаемые сигналы от распадов различных частиц по методам их выделения, статистической обеспеченности сигналов и т.д.

Наиболее исследованными как по числу экспериментов проведенных в различных пучках, так и по точности измерений, обусловленной величиной сигналов, являются сечения рождения трёх частиц - К®, Л и Л. Изначально открытые в экспериментах с космическими лучами [24], в дальнейшем изучались в разных экспериментальных условиях. Наибольшше число экспериментов было выполнено в протонных пучках в широком диапазоне импульсов пучковой частицы, начиная от бГэВ/с и заканчивая 920ГэВ/с [25] - [38]. Число публикаций с результатами экспериментов в пионных пучках оказывается существенно меньшим [39] - [42] и при этом диапазон импульсов пучков также оказывается существенно уже 100-360ГэВ/с. По одному эксперименту насчитавают измерения в пучке отрицательных каонов [43] при импульсе 200ГэВ/с и в пучке нейтронов [44] при среднем импульсе 45ГэВ/с.

На рис. 1 приведены зависимости сечения рождения К®, А и А от энергии в системе центра масс. При энергии в районе s ~700 GeV2 (эксперименты на SPS CERN) существует достаточное число измерений сечения рождения чтобы отметить одну из главных проблем при измерении абсолютных значнений физических величин - систематические неопределенности. Все эксперименты из этой группы заявляют систематическую ошибку порядка 20-30% , в то время как сравнение, измеренных в различных экспериментах значений сечений, показывает присутствие неопределенности порядка двойки.

Сравнимыми по числу экспериментов, посвященных изучению сечений рождения и полноте информации об их свойствах, являются Е - гипероны, как в основном, так и в возбужденном состояниях. Измерения сечений рождения были выполнены пучках протонов ([25, 27, 34, 35, 44] [45] - [49]), пионов тГ ([39],[50],[51]), каонов К~ ([52]-[56]) и Н~ гиперонов ([57] -[59]). В ряде случаев имерения для V0 и отдельных состояний Е - гиперонов выполнялись в одном и том-же эксперименте, что облегчает интерпретацию полученных результатов. При этом следует отметить, что серьезной проE

10

-1 A

О О О t t t t

10

-2 t

А Л К □ ■ A о

LLUI' ' .I' ■■■■■■

10 10 10 10 s (GeV )

Рис. 1: Зависимость сечения рождения Kj, Л и Л от s, квадрата полной энергии в системе центра масс. блемой в исследовании Е-гиперонов является тот факт, что в инклюзивных процессах сигналы в спектрах эффективных масс наблюдались толко для основного (Е*) и первого возбужденного состояний (Ef385). Существование более возбужденных состояний Е-гиперонов было установлено в результате сложного анализа, основанного на разложении измеренного сечения рождения по парциальным волнам (PWA) (см. например [60]), и до настоящего времени существование многих из этих состояний требует своего подтверждения [23].

Существуют две, хорошо известные, проблемы в подходе PWA: 1. В силу неполноты экспериментальных данных в решении уравнений всегда будут присутствовать многчисленные математические непреде-ленности.

2. Введение предположения о непрерывности амплитуды рассеяния привносит в анализ плохо контролируемые систематические вариации.

При решении первой проблемы был предложен формализм нулей Барро-лета [61, 62] для поиска всех возможных решений, а затем к выбору среди найденных решений, физически допустимых. В любом сучае, ограничительным моментом в данном подходе являются большие экспериментальные ошибки в данных [63].

При попытках решить вторую проблему, амплитуду рассеяния представляют в форме функции, зависящей от энергии. Такой подход обладает тем очевидным недостатком, что форма аплитуды фиксируется зараннее. Но следует отметить, что в формализме нулей Баррелета формы амплитуд получаются достаточно простыми и хорошо описывают экспериментальные данные [60].

Несмотря на тот факт, что каскадные гипероны (H±,fi± ) известны уже порядка полувека, число экспериментов по изучению рождения этих частиц было выполнено крайне мало. Наибольшее число измерений было проведено в пучках протонов и нейтронов [25, 26, 44] [64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71]. Существуют всего два эксперимента по измерению сечения рождения Е~ в пучках отрицательных пионов [39, 51]. Сумма сечений рождения двух частиц (Е- + Е* ) при импульсе пучка пионов 200ГэВ/с была измерена в эксперименте [39].

В CERN были проведены два эксперимента с Е~ пучком при импульсе 116ГэВ/с, в которых измерялись сечения рождения Е~ + Be and Е~ + N [72, 73] В одном из гиперонных экспериментов были проведены измерения для [73], а также существуют данные по рожению Q,~ при низких энергиях 4.5-14ГэВ/с [74] - [76]. В протонном пучке при 200ГэВ/с измерены сечения рождения как Е*, так и Q,~ [111].

Информация о сечениях рождения возбужденных состоянияй Е гиперонов исключительно ограничена. Так для первого возбужденного состояния ^1530 существуют толко три публикации [59, 72, 73], и совершенно отсутствует информация о сечениях рождении более возбужденных состояний

1690j "1820 И "I960'

Существует ряд публикаций, посвященных рождению возбужденных каонов ifgg0 в пучках тг* , К± и протонов [39],[77] - [88[. К сожалению, при больших хр, в ряде экспериментов изучали исключительно рождение лидирующей частицы из-за недостатка статистики для нелидирующих партнеров. Диапазон импульсов пучков в этих измерениях заключен в пределах 6-400ГэВ/с.

Изучение сечений парного рождения странных частиц достаточно редкая тема. В этой области существует резкое разделение предмета исследования. Иногда целью исследования является изучение корреляций при малых относительных импульсах идентичных частиц,т.н. Hanbury- Brown-Twiss (НВТ) корреляции [89]. В других случаях предметом исследования являются кинематические корреляции во всей кинематически доступной области. Такие исследования проводились в р столкновениях при 360 ГэВ/с [90]. Похожие исследования выполнялись при изучении продуктов распада Z0 [91, 92, 93].

Изучение формы дифференциального сечения рождения какой либо частицы в зависимости от Фейнмановской переменной хр, измеренных в разных пучках привело понятию эффекта "лидирования". Суть эффекта состоит в том, что при наличии общего кварка в рожденной и пучковой частицах, сечение рождения при больших хр « 1. оказывается существенно больше, чем при отсутствии такого кварка. В форме физической модели данное наблюдение было сформулировано в [94, 95], которая предска-зывет поведение дифференциального сечения следует степенному закону da/dxp ос (1 — хр)п, где п есть целое число, связанное с числом кварков учавствующих в обмене. Наиболее интересное в данном подходе, состоит в том, что первоначально предложенная зависимость относилась к области больших xf, а оказалась справедливой во всей области xf. При этом физический смысл показателя п оказывается не очень определенным.

Кратко упомянем результаты по исследованию рождения странных частиц в экспериментах по столкновению тяжелых ионов. Измерения проводятся в узкой кинематической области по хр близкой к нулю (центральная область) и основным кинематическим распределением является распределение по Таким образом, отсутствие измерений при больших хр лишает возможности сравнения наиболее интересной информации полученной в эксперименте WA89 с результатами из экспериментов с тяжелыми ионами [96] - [101].

Несмотря на их немногочисленность, источником существенной части экспериментальных данных о процессах рождения и каналах распадов гиперонов являются эксперименты в гиперонных пучках. В отличие от обычных адронных пучков, гиперонные пучки отличаются малой длинной порядка 10 метров, что представляет собой компромис между неоходимостью экранировать аппаратуру и мишени, на которой рождаются гипероны, по соображениям радиационной безопасности, и потерями в интенсивности пучка от распадов гиперонов при прохождении по пучковому каналу. При импульсе гиперонов порядка 100 ГэВ/с, длина распада составляет 7.1 м для Ли 1.5м для Последствием этого являются серьёзные ограничения на максимальную величину потока гиперонов, доступную для экспериментов.

Самый простой метод повысить интенсивность гиперонных пучков приводит к повышению импульса гиперонного пучка. Так первые эксперименты в гиперонных пучках проводили при 25 ГэВ/с на ускорителях AGS в Брукхейвене и PS CERN в начале 70-х. Введение в эксплуатацию новых ускорителей в CERN (SPS) и Fermilab (Tevatron) немедленно привело к созданию гиперонных каналов в новом импульсном диапазоне.

В течение 1976 - 1982 годов ряд экспериментов был проведен в Западном зале CERN на гиперонном канале при импульсах гиперонов в диапазоне 70 - 135 ГэВ/с. Интенсивность потока гиперонов составила 12000 £~, 400 и 10 Q" за сброс пучка. Опубликованные результаты этих экспериментов можно отыскать в [47, 73].

В 1989-1990 году на ускорителе SPS CERN был введен в эксплуатацию гиперонный канал при среднем импульсе £~ гипероров 340 ГэВ/с. Интенсивность потока гиперонов достигла 105 за время сброса пучка. Эксперимент WA89 проводил набор статистики на этом гиперонном канале в 1991, 1993 и 1994 годах.

Эксперимент SELEX проводился во FNAL на гиперонном канале с импульсом пучковой частицы £" 600 ГэВ/с в 1997-1998 годах. Главной целью эксперимента было исследование очарованных и странно-очарованных частиц, для чего "on-line" триггерные условия отбирали события, обогащенные кандидатами со вторичной вершиной распада от коротко живущей частицы. Таким образом полученные данные практически невозможно использовать для исследований долгоживущих частиц в силу сильных искажений в кинематических спектрах из-за специфических триггерных условий.

Информация, которую можно получить из опубликованных работ, посвященных изучению сечений рождения частиц со странным кварком, позволяет придти к определенным заключениям. Во-первых, большая часть экспериментальных данных в обсуждаемой области была получена в экспериментах на пузырьковых камерах и набранная статитика, в силу способа обработки визуальной информации, веема мала. Даже в "электронных" экспериментах первого поколения статистическая обеспеченность полученных результатов оставляет желать много лучшего. Достаточно часто измерения ограничивались всего лишь одной, двумя частицами в отдельном эксперименте. Если принять во внимание, что в каждом эксперименте существуют систематические неопределенности, трудно поддающиеся оценке, что кинематические области покрываемые каждым отдельным экспериментом весьма различны, то можно заключить, что составить целостную экспериментальную картину рождения частиц со странностью престаляет собой непростую задачу.

С учетом вышесказанного, а также возможностей которые предоставляет эксперимент WA89, можно сформулировать предмет представляемого исследования следующим образом. На основе высокой статистики экспериментальных данных, полученных в эксперименте WA89 зарегистрированных во взаимодействиях трех различных пучковых частиц с ядрами углерода и меди, исследовать дифференциальные сечения рождения многих частиц со странностью в рамках одного эксперимета и затем сравнить полученные результаты с предсказаниями теоретических моделей, с целью выяснения границ их применимости.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Завертяев, Михаил Васильевич

17 Заключение

Подводя итоги проведенного исследования можно сформулировать следующие выводы :

1. Впервые измерены полные и дифференциальные сечения рождения странных частиц во взаимодействиях Е- гиперонов с ядрами меди и углерода. Измерения дополнены исследованием тех же процессов во взаимодействиях нейтронов и тг~ мезонов с ядрами меди и углерода.

2. Впервые исследованы процессы парного рождения Л, Л и К® во взаимодействиях Е~, нейтронов и тг~ мезонов с ядрами меди и углерода, измерены полные и дифференциальные сечения рождения.

3. Сравнение экспериментальных результатов с предсказаниями LUND модели и модели кварк-глюонных струн показало ограниченную область применимости указанных моделей. В подавляющем числе случаев можно говорить только о качественном, но не количественном, соответствии результатов расчетов эксперментальным данным.

4. Впервые наблюдена новая мода распадов возбужденного Hi690 гиперона, измерена относительная вероятность распада для наблюдаемой моды.

5. Впервые, в процессах инклюзивного рождения, в распределениях по эффективной массе наблюден статистически значимый сигнал от распадов возбужденного Е* гиперона в области 1630МэВ/с2 измерены масса, ширина и сечения рождения в наблюденной моде распада.

6. Зависимость сечений рождения частиц со странностью от атомного номера следует закономерности Аа с показателем а & 2/3 и не чустви-тельна к типу частицы пучка.

18 Благодарности.

Приступая к наиболее приятной части данной работы автору хотелось бы, в первую очередь, выразить огромную благодарность и признательность Ю.А.Александрову и М.И.Адамовичу (к сожалению, ушедшему от нас), которые вовлекли меня в 1988 году в эксперименты на ускорителе в CERN'e и, таким образом, сделали возможным проведение данного исследования. Постоянное внимание и многлетняя поддержка во многом способствовали успеху всего дела.

Особую благодарность выражаю С.П.Баранову за многочисленные и плодотворные обсуждения не всегда ясных моментов теории, за создание комплекса программ HIPPOPO - практической реализации Модели Кварк Глюонных Струн, столь необходимого для каждого экспериментатора. Расчеты, проведенные на основе этой программы, являются одним из ключевых элементов при получении физических результатов.

Я благодарен А.А.Комару за внимание к исследованию и очень полезные дискуссии по физическим вопросам. В течение всех лет моей работы в ЛЭВЭ, я пользовался поддержкой и благожелательным вниманием со стороны своих коллег, сотрудников лаборатории, и всем им за это выражаю благодарность

Данная работа несостоялась бы, если бы не было коллаборации WA89. Усилия многих коллег из различных стран, много лет работавших для успеха эксперимента, послужили основой для уникального банка экспериментальных данных, основы проведенного исследования. Всем им я вырыжаю свою благодарность. Это исследование, начатое в CERN'e, было продолжено в группе B.Povh в институте Макса-Планка Гейдельберг. Его поддержка данного исследования в 1994-1996 гг. сыграла большую роль в конечном успехе, за что я искренне благодарен. Так сложилось, что до сих пор, анализ данных WA89 продолжается и постоянные дискуссии с H.-W.Sibert и J.Pohodzalla оказывали стимулирующее действие. Выражаю им свою благодарность.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Завертяев, Михаил Васильевич, 2006 год

1. Piskunova and K.A. Ter-Martirosyan, Phys. Lett. В 158, (1985) 175. [123[ A.B. Kaidalov and 0.

2. Piskunova, Sov. J. Nucl. Phys. 41, (1985) 1278; [124] A.B. Kaidalov and 0.