Проверка правила Окубо-Цвейга-Иизуки в рождении Ø (1020)- F12 (1525)- мезонов при аннигиляции остановившихся антипротонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Прахов, Сергей Николаевич

• Прахов, Сергей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Прахов, Сергей Николаевич

Оглавление

Введение

1 Экспериментальная устанока

1.1 Пучки LEAR

1.2 Спектрометр OBELIX

1.2.1 Основные характеристики установки

1.2.2 Магнит

1.2.3 Спирально-проекционная камера

1.2.4 Цилиндрическая дрейфовая камера

1.2.5 Времяпролетная система

1.2.6 Гамма-детектор высокого углового разрешения

2 Изучение рождения ф- и ш-мезонов в аннигиляции покоящихся антипротонов в газообразном дейтерии при нормальных условиях

2.1 Организация системы сбора данных, триггер

2.1.1 Специализированный триггер на ^»-мезон

2.1.2 Выделение аннигиляции антипротонов в газе дейтерия

2.1.3 Определение эффективности и параметров триггера

2.2 Оценка числа исходных аннигиляций для данных с ^-триггером

2.3 Возможность выделения реакций с ф- и а>-мезоном в зависимости от импульса протона

2.4 Анализ реакции pd —> фп~р3 (Рр < 200 МэВ/с)

2.4.1 Выделение полезных событий и оценка возможного фона

2.4.2 Описание фитирующей процедуры

2.4.3 Моделирование реакции pd -» фп~р3

2.5 Измерение реакции pd —> фп~р (Рр > 400 МэВ/с)

2.6 Измерение реакции pd -» и>тт~р (Рр > 400 МэВ/с)

2.7 Вероятности аннигиляции по каналам фж~ и илг"

2.8 Отношение выходов фтг~/а>7г~ и величина нарушения правила ОЦИ

2.9 Выводы

3 Изучение рождения фтт° и фг) в аннигиляции покоящихся антипротонов

в газообразном водороде при нормальных условиях

3.1 Организация системы сбора данных, триггер

3.2 Выделение реакции рр —К+К~Х (X - нейтральные частицы)

3.3 Анализ реакции рр —> </>7г°

3.4 Анализ реакции рр —» фг}

3.5 Выводы

4 Изучение рождения 0(1020)- и /2(1525)-мезонов в рр-аннигиляции в покое

при различных плотностях водородной мишени

4.1 Наборы полезных данных; вклады возможных фонов

4.2 Парциально-волновой анализ реакции рр —> К+К~7г°

4.3 Вычисление абсолютных вероятностей рр-аннигиляции

4.4 Обсуждение результатов анализа реакции рр —К+К~тт°

4.4.1 Вероятность рождения фтг° при аннигиляции из начальных состояний и 1Рг

4.4.2 Определение отношения вероятностей аннигиляции

ЩР /2(1525)тг° / рр /2(1270)7г°) из 5- и Р-волны

4.4.3 Вероятности аннигиляции по каналу рр —> /Г* (890) А"

4.5 Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проверка правила Окубо-Цвейга-Иизуки в рождении Ø (1020)- F12 (1525)- мезонов при аннигиляции остановившихся антипротонов»

Введение

Недавние исследования, выполненные на ускорителе LEAR в ЦЕРН [1], по изучению выхода ^»-мезонов в аннигиляции антипротонов, остановившихся в водородной мишени, показали значительное (в ~ 30 50 раз) нарушение правила Окубо-Цвейга-Иизуки (ОЦИ) [2] . Последние годы на установке OBELIX (LEAR, ЦЕРН) был проведен ряд экспериментов, посвященных дальнейшему изучению этой актуальной проблемы, связанной с проверкой выполнения правила ОЦИ в NN-аннигиляции. Настоящая диссертационная работа посвящена анализу некоторых из этих экспериментов коллаборации OBELIX, в которых правило ОЦИ проверялось в аннигиляции остановившихся антипротонов.

Обычно правило ОЦИ формулируют как подавление процессов, описываемых диаграммами с разрывными кварковыми линиями (см. Рис. 1а). Это правило успешно объясняет узкие ширины и относительные вероятности распадных каналов для мезонов, состоящих из пар ss-, ос- и Ьб-кварков. Оно также описывает множество других процессов с разрывными кварковыми линиями [3]. Рождение ^»-мезонов является одним из наиболее чувствительных способов проверки выполнения правила ОЦИ, т.к. <?!ъмезон является почти чистым состоянием ss, включающим только малую примесь легких кварков. При отсутствии странных кварков в нуклоне рождению 0-мезонов в ÑN аннигиляции должна соответствовать диаграмма, подобная изображенной на Рис. 1а) , и рождение ф-мезонов через подобный процесс будет подавлено согласно правилу ОЦИ. Образованию о>-мезона, состоящего только из легких кварков, соответствует диаграмма, изображенная на Рис. lb) , и согласно правилу ОЦИ такой процесс разрешен.

Для оценки степени подавления рождения ^-мезонов полезно сформулировать правило ОЦИ в виде, предложенном Окубо [4] . Пусть происходит образование ^-состояния во взаимодействии адронов

А + В—>C + qq {q = u,d,s) , (1)

где адроны А, В и С состоят только из легких кварков, и и d. Тогда правило ОЦИ можно записать так:

~ _V2M(A + B->C + ss)_

М(А + В ^С + йи) + М(А + B-±C + dd) ' { }

где М(А + В —> С + qq) - матричный элемент амплитуды соответствующих процессов. Согласно этой формуле, <Д-мезон, являвшийся бы чистым ^-состоянием, не мог бы рог ждаться при взаимодействии обычных адронов. Отклонение параметра Z от нуля означало бы нарушение правила ОЦИ, а значение Z отражало бы степень такого нарушения.

Однако, ф и и> являются членами 5'С/(3)-нонета векторных мезонов (,JP = 1~), оба имеют одинаковые квантовые числа и образуются при смешивании октета tug и синглета ujq на угол в :

ф = о>о sind — uj8 cosO , (3)

и-

и

а)

Ъ)

Рис. 1: Стандартные кварковые диаграммы образования (а) ф- и (Ь) tu-мезонов в р'р-аннигиляции.

№ — CJg Sind + UJq COSÖ ,

где

u>o = (ий + dd + ss)/л/3 , (4)

иg = (ий + dd — 2ss) /л/б .

Тогда, если sindi = 1/\/3 (т.е. угол смешивания « 35.3°), из преобразованных уравнений (3)

Ф = ^(^о - л/2Ш8) , (5)

О! = + V2w8) ,

подставляя выражения (4), получаем "идеальное смешивание"

Ф = SS , (б)

и> = (uü + dd)/V2,

когда ф является чистым состоянием из странных кварков, а w - из легких и- и d-кварков.

В реальности для векторных мезонов угол смешивания в немного отличается от идеального вг: согласно квадратичной массовой формуле Гелл-Манна-Окубо 9 = 39°, а согласно линейной - в = 36° [5]. В результате этого ф-мезон может рождаться в адронных взаимодействиях благодаря небольшой примеси легких кварков в его волновой функции.

Переписав уравнение (2) в виде, отражающем отношение выходов ф- и си-мезонов,

M (А + В С + ф) _ Z + tan(fl - dj) (7)

M (А + В + 1 -Z tan(0 - 9i) ' U

можно получить значение этого отношения для случая выполнения правила ОЦИ, т.е. при Z=0,

где / - кинематический фактор, отражающий разность фазовых объемов для реакций, сравниваемых в данном отношении. При / = 1 получаем следующие предсказания для величины R :

R= 4.2 • 1СГ3 для квадратичной массовой формулы , (9)

R = 0.15 • 10~3 для линейной массовой формулы .

Таким образом, благодаря почти идеальному смешиванию векторных мезонов (5 = 9 — 9i ~ 1 -т- 3°), отношение ф/ш из выражения (7) весьма мало при Z=0 . Экспериментальное же измерение этого отношения может служить способом проверки выполнения правила ОЦИ (т.е. вычисление параметра Z) в адронных взаимодействиях.

Имевшиеся к настоящему моменту, экспериментальные данные по irp-, рр- и рр-взаимодействию на лету (см. [4, б, 7, 8, 9, 10]) показывали достаточно хорошее согласие с предсказаниями правила ОЦИ, которое нарушалось не более чем на 6-=-10% (t.e.|Z| < 0.06 4- 0.10), а отношение R из формулы (8) не превышало (10 20) • 10~3 . В тоже время, первые эксперименты на пузырьковых камерах [11, 12, 13, 14, 15] по изучению ^(¿-аннигиляции в покое указали на наличие неожиданно сильного отклонения от правила ОЦИ, R = (83 ± 25) • Ю-3, в одном из каналов рождения ф-мезона, а именно в рп —» фтт~ . Однако, наибольшая набранная при этом экспериментальная статистика (см. [11]) составляла только 54 события фтт~ и не позволяла сделать каких-либо окончательных выводов.

Запуск в 1983 году нового накопительно-ускорительного комплекса LEAR в ЦЕРН, впервые обеспечившего высокоинтенсивные монохроматические пучки антипротонов низких энергий, способствовал активному изучению /ViV-аннигиляции в низкоэнергетической области. Интересные результаты были получены уже в одном из первых экспериментов на LEAR, который был сделан коллаборацией ASTERIX [1] по изучению выполнения правила ОЦИ через относительное рождение фХ- и шХ-систем (где X — 7Г°, г], cu, р, 7г+7г~) в рр-аннигиляции в покое. Степень нарушения правила ОЦИ оказалась сильно зависящей от X: так для X = 7Г° это нарушение превысило предсказание ОЦИ в ~ 30 раз, а для X = r¡, cu не было наблюдено какого-либо значимого превышения теоретического значения R из выражений (9). Кроме того, в [1] была замечена сильная зависимость выхода 0-мезонов от начального состояния рр-системы. Так рождение 07Г°-системы, разрешенное согласно сохранению С-четности из двух рр-начальных состояний, 3S\ и xPi, было обнаружено только в аннигиляции из ¿"-волны. Полученные

вероятности аннигиляции соответственно равны: S — волна) = (4.0 ± 0.8) • Ю-4

и ]¥(фп°, Р — волна) = (0.3 ± 0.3) • Ю-4 . Следует однако отметить, что ненаблюдение событий фтт0 из Р-волны было зарегистрировало на достаточно небольшой статистике, и этот результат требовал дополнительного экспериментального подтверждения.

В последние годы на пучках LEAR коллаборации OBELIX и CRYSTAL BARREL активно осуществляли всестороннюю проверку выполнения правила ОЦИ. Полученные ими результаты подтвердили наличие сильного нарушения правила ОЦИ в некоторых каналах TViV-аннигиляции. Основным же преимуществом детектора OBELIX, по сравнению с CRYSTAL BARREL, являлась возможность использования водородной мишени в диапазоне плотностей от жидкого состояния до давления в несколько милибар. Это позволяет исследовать рр-аннигиляцию с преимущественным рождением только из S-(жидкий водород) или из Р-волны (водород при низком давлении).

Для объяснения столь необычных экспериментальных результатов в рождении ф-мезонов, связанных с нарушением правила ОЦИ, было предложено несколько теоретических объяснений. Однако, можно показать, что не все из них способны объяснить всю совокупность полученных экспериментальных данных.

Согласно [16], существование некоторого резонанса в системе фтт с массой близкой к сумме масс двух нуклонов и квантовыми числами 1 = 1, Jpc = 1 приводило бы к усилению выхода данного конечного состояния при iViV-аннигиляции из .S-волны и ослаблению из Р-волны. Кандидатом в такие резонансы мог бы служить экзотический мезон С(1480), наблюденный как фтт0 пик в реакции тг"р —> К+К~тт° при импульсе пучка 32.5 ГэВ/с [17]. Однако подобный резонанс не объясняет значительное нарушение правила ОЦИ при рождении ф'у состояния [18]. Кроме того, согласно [1, 19], не зарегистрировано прямого рождения С-мезона по распаду в ф-к при iViV-аннигиляции .

Другим возможным объяснением усиления выхода фтт могло бы быть образование этой системы через взаимодействие двух каонов в конечном состоянии в реакции рр -» К*К + К*К —> ККтт —> ф-к , которая не запрещена правилом ОЦИ (см. [20, 21]). Более того, из предыдущих измерений (см. например [18]) известно, что в конечном состоянии ККгт доминирует канал К*К + К*К . Однако, необходимо отметить, что перерассеяние в состояние фтт может идти только из начального состояния с изоспином I = 1, в то время как состояние К* К разрешено из обоих изоспинов: 0 и 1 . Численные расчеты вероятности рождения системы фи через различные разрешенные промежуточные состояния, проведенные в [20, 21], показывают также, что экспериментальные результаты превышают расчетные в 2^-6 или даже более раз. Однако, все эти расчеты справедливы для аннигиляции из ¿"-волны. Дело в том, что, так как выход К*К из Р-волны не был ранее измерен, невозможно было оценить вероятность рождения фтт в Р-волне через данное промежуточное состояние.

Для объяснения сильного нарушения правила ОЦИ при рождении (/»-мезонов в TV TV-аннигиляции была предложена модель, предполагающая наличие внутренней поляризованной странности в нуклоне [22, 23]. Согласно этой модели, волновая функция нуклона содержит небольшую примесь поляризованных ss-кварков. На саму возможность поля-

ризации странного моря нуклонов указывают результаты последних экспериментов по г л у боконеупрутому рассеянию лептонов (см., например, [24]). В этом случае рождение 0-мезона может происходить через диаграммы с неразрывными кварковыми линиями, т.е. без нарушения правила ОЦИ, и, кроме того, вероятность рождения будет зависеть не только от величины примеси странности в нуклоне, но и от квантовых чисел начального состояния АГЛГ-системы. На Рис. 2 показаны возможные диаграммы рождения 0-мезона в А^-аннигиляции из спинового триплета (спины нуклонов параллельны) ц синглета (спины нуклонов противоположны) при наличии поляризованной странности в нуклоне. Здесь также использован тот факт, что, согласно экспериментам по глубо-конеупругому рассеянию, спин обоих странных кварков с большой вероятностью направлен в противоположную сторону от спина нуклона. Тогда, при сохранении поляризации странных кварков во время нуклонного взаимодействия получаем параллельную ориентацию спинов странных кварков в конечном состоянии (т.е. 5=1) для случая спинового триплета и противоположную ориентацию (т.е. 5= 0) для спинового синглета. Если орбитальный момент Ь конечной йз-пары совпадает с орбитальным моментом начального N N-cocтoянжя, то из начального состояния 35,1 образуется з«-пара с квантовыми числами 5'=1 и Ь=0, соответствующая собственному состоянию - 1 ф-мезона. В тоже время, яй-пара, образовавшаяся из синглета гР\) будет иметь квантовые числа »5=0 и Ь=1, которые не соответствуют 0-мезону. Аналогичные рассуждения верны и для других каналов аннигиляции с 0-мезоном. Модель поляризованной странности также качественно объясняет, почему рождение ф может быть усилено в А^ТУ-аниигиляции в покое по сравнению с другими типами 7гЛ/", NN и ТУА^-взаимодействия. Причина заключается в том, что столкновения при более высоких энергиях приводят к увеличению количества парциальных волн, из которых зз-пара с квантовыми числами ^-мезона уже не может образовываться через диаграмму, показанную на Рис. 2а) . Соответственно, вклад начального спинового состояния 35'1, из которого возможно рождение ф, при этом падает.

Модель поляризованной странности не только успешно объясняет полученные ранее результаты, но и позволяет сделать ряд предсказаний, экспериментальная проверка которых могла бы служить подтверждением данной модели (см. например [23]). Одним из таких предсказаний является усиление рождения /2(1525)-мезона из спинового триплета в _/У]У-аннигиляции. Так как зз-пара с квантовыми числами 5"=1 и Ь— 1 образует состояние

соответствующее /2(1525)-мезону, то усиление рождения этого тензора может идти из спинового триплета в Р-волне через диаграмму показанную на Рис. 2а) . Такое усиление должно проявляться через отношение выхода /2(1525)-мезона к /2(1270)-мезону, состоящему из легких кварков. Правило ОЦИ при использовании квадратичной массовой формулы Гелл-Манн-Окубо приводит к следующей оценке отношения /2 в адронных взаимодействиях:

Д(Л(1525)//2(1270)) = 16 • 10"3 . (10)

При изучений рр-аннигиляции в покое наиболее удобным является измерение отноше-

Sff

S = 1

N

N

5 = 0

Sn

a)

Sn

b)

Рис. 2: а) - диаграмма рождения ф- и /2-мезона в Л^-аннигиляции из спинового триплета; Ь) - диаграмма NЫ-аннигиляции из спинового синглета, по которой не могут образовываться ф- и /з-мезоны.

ния R(pp —> /гтг0/рр —> /г71"0), где измеряемые конечные состояния разрешены из спин-триплетных начальных состояний ЛР\ и 3Р2 и спин-синглетного состояния 15,0 . Важно также отметить, что согласно расчетам [25], в случае экспериментального наблюдения превышения предсказаний (10), такой результат невозможно было бы объяснить за счет процессов перерассеяния в конечном состоянии.

Целью диссертационной работы являлось проведение ряда исследований на установке OBELIX (LEAR, ЦЕРН) по проверке правила Окубо-Цвейга-Иизуки в рождении 0(1020)- и /2(1525)-мезонов при аннигиляции остановившихся антипротонов, а также проверка предсказаний модели поляризованной внутренней странности нуклона [22, 23] о сильной зависимости рождения этих мезонов от начальных квантовых чисел iViV-системы.

Для этого были изучены следующие процессы:

1. аннигиляция покоящихся антипротонов в газообразной (при нормальных условиях) дейтериевой мишени по каналам

pd фтт~р , (11)

pd илт~р . (12)

2. аннигиляция покоящихся антипротонов в газообразной (при нормальных условиях)

водородной мишени по каналам

рр —> фтг° рр фт) .

(13)

(14)

3. аннигиляция покоящихся антипротонов в водородной мишени при трех различных плотностях: жидкость (ЬНг), газ при нормальных условиях (1ЧТР) и газ при низком давлении в 5 мбар (ЬР), по каналу

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. впервые в газообразном дейтерии измерена вероятность аннигиляции в покое по каналу р(1 —> фп~р для области импульсов протона-спектатора Р < 200 МэВ/с ;

2. впервые измерены вероятности аннигиляции в покое по каналам рй —> фк~р и рв, —> илт~р для диапазона импульсов протона Р > 400 МэВ/с ;

3. впервые в газобразном дейтерии обнаружено сильное нарушение правила ОЦИ для векторных мезонов в аннигиляции покоящихся антипротонов; при этом экспериментально полученное отношение выходов Щфтг~/илг~) превышает предсказания правила ОЦИ в ~ 30 раз;

4. впервые измерена вероятность аннигиляции в покое по каналу

с мишенью из газообразного водорода при нормальных условиях;

5. впервые проведен парциально-волновой анализ реакции аннигиляции в покое по каналу рр —> К+К~ тт° с водородной мишенью при трех различных плотностях;

6. впервые измерена вероятность аннигиляции в покое по каналу рр —» К+К~ 7Г° с водородной мишенью при трех различных плотностях;

7. впервые измерена вероятность аннигиляции в покое по каналу рр —> ф-к° с водородной мишенью при низком давлении в 5 мбар;

8. впервые определено, что в аннигиляции покоящихся антипротонов отношение вероятностей рождения системы фж° из рр-начальных состояний 35'1 и 1РХ есть

9. впервые выполнено измерение вкладов 5- и Р-волн в вероятность аннигиляции в покое по каналу

рр К+К~тг0 .

(15)

рр —у К+К г}

(16)

ДС3^/1^) > 15 ;

.о

(17)

10. впервые измеренное отношение выходов каналов Щрр -> /2(1525)7г° / рр > /2(1270)7г°) при аннигиляции из Р-волны в ~ 10 раз превышает предсказания правила ОЦИ.

Научная и практическая ценность работы:

1. Разработана методика нахождения эффективности и параметров триггера спектрометра ОВЕЫХ, исходного количества аннигиляции, выделения взаимодействий остановившихся антипротонов, а также по выработке критериев отбора полезных физических событий в установке ОВЕЫХ. Она реализована в виде соответствующего программного обеспечения, которое используется коллаборацией ОВЕЫХ при обработке экспериментальных данных.

2. Подготовлена часть программы моделирования событий в детекторе ОВЕЫХ, воспроизводящая работу триггера с его параметрами и эффективностями.

3. Полученные впервые выходы реакций (11)-(17) для различных видов рЫ-аннигиляции и разных плотностей мишени могут быть использованы в дальнейшем для теоретических расчетов, при планировании или моделировании будущих экспериментов по изучению /^-взаимодействия.

4. Полученные в работе отношения выходов /илх) и ЩЛтг0/./^71"0) в аннигиляции остановившихся антипротонов при различных экспериментальных условиях и обнаруженные в рождении ф- и /2-мезонов зависимости от начальных квантовых чисел Л^-системы могут служить критериями для проверки разных теоретических моделей.

Структура диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

В первой главе кратко описана экспериментальная установка ОВЕЫХ с основными характеристиками в целом и для каждого элемента в отдельности (пучка, магнита, вершинного детектора, времяпролетной системы, дрейфовой камеры и гамма-детектора).

Вторая глава посвящена измерению реакций (11) и (12) в различных интервалах по импульсу протонов и проверке соблюдения правила ОЦИ в отношении выходов измеренных каналов. В этой главе также описаны основные критерии отбора полезных событий, методы фитирования окончательных экспериментальных распределений. Проведена проверка надежности рабочей процедуры и воспроизводимости экспериментальных данных в программе моделирования. Проведены обсуждение полученных результатов, оценка их систематических погрешностей, сравнение с предыдущими измерениями. Здесь же приведено подробное описание организации системы сбора данных и специализированного триггера для регистрации ^»-мезонов, проведено определение его эффективности и других необходимых в обработке параметров, а также показано, как вычислялось исходное число аннигиляций.

Третья глава посвящена изучению каналов аннигиляции (13) и (14) с целью нахождения их выходов в газообразном водороде при нормальных условиях и обнаружения зависимостей рождения этих мезонов от начальных квантовых чисел рр-системы. В этой главе также подробно описаны: процедура выделения событий каждой реакции, вычисление соответствующих вероятностей аннигиляции, сравнение их с результатами предыдущих измерений. Также впервые получен выход реакции (16).

Четвертая глава посвящена изучению рождения 0(1020)- и ¡'2 (1525)-мезонов в антипротонной аннигиляции в покое при различных плотностях водородной мишени и обнаружению зависимостей их рождения от начальных квантовых чисел рр- атома с целью проверки предсказаний модели поляризованной внутренней странности нуклона [22, 23]. В этой главе также подробно описаны: процедуры выделения событий реакции (15) и вычитания возможных фоновых реакций, процедура парциально-волнового анализа данных для трех плотностей мишени и способ вычисления вероятностей аннигиляции из результатов фитирования. Полученные результаты анализа достаточно уникальны, они не только подтверждают на новом качественном уровне исходные экспериментальные факты, послужившие основой для создания модели поляризованной странности, но и хорошо согласуются с другими предсказаниями этой модели.

В заключении кратко сформулированы главные результаты исследования.

Автор защищает:

1. методику определения эффективности и параметров триггера установки, исходного количества аннигиляций, выделения взаимодействий антипротонов, остановившихся в объеме мишени, а также по выработке критериев отбора полезных физических событий;

2. экспериментальные результаты по вероятности рождения системы фтт~ в аннигиляции антипротонов, остановившихся в газообразном дейтерии, для двух диапазонов импульсов протона: Р < 200 МэВ/с и Р > 400 МэВ/с ;

3. экспериментальные результаты по вероятности рождения системы илг~ в аннигиляции антипротонов, остановившихся в газообразном дейтерии, для диапазона импульсов протона 400-^1000 МэВ/с ;

4. экспериментальные результаты по вероятности рождения системы фтг° в аннигиляции антипротонов, остановившихся в водородной мишени при трех различных плотностях: жидкость (ЬН2), газ при нормальных условиях (№ГР) и газ при низком давлении в 5 мбар (ЬР);

5. экспериментальные результаты по вероятности рождения систем фг} и К+К~г) в аннигиляции антипротонов, остановившихся в газообразном водороде при нормальных условиях;

6. экспериментальные результаты по вероятности рождения системы К+К~ж° в аннигиляции антипротонов, остановившихся в водородной мишени при трех различных плотностях: жидкость (LH2), газ при нормальных условиях (NTP) и газ при низком давлении в 5 мбар (LP);

7. обнаружение сильного нарушения правила ОЦИ для векторных мезонов, зарегистрированного в отношении вероятностей рождения рп —> фп~ /рп —> Ш7г~ в аннигиляции антипротонов, остановившихся в газообразном дейтерии, для всего диапазона импульсов протона;

8. экспериментальные результаты по измерению вкладов S- и Р-волн в вероятность аннигиляции в покое по каналу рр —» /2(1525)71-° для LH2- и LP(5 мбар)-водородных мишеней;

9. обнаружение сильного нарушения (в ~10 раз) правила ОЦИ для тензорных мезонов, зарегистрированного в отношении вероятностей рождения /^^//г71"0 ПРИ аннигиляции из Р-волны;

10. наличие сильной зависимости вероятности рождения системы фж от начальных квантовых чисел pTV-системы, а именно, преимущественное рождение системы фп в аннигиляции покоящихся антипротонов из спин-триплетного состояния ZS\ .

Апробация работы. Диссертация выполнена в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Основные результаты опубликованы в работах [26, 27, 28, 29, 30, 31], докладывались автором на Международной конференции Deutron'93 (Дубна, 1993), на Международной конференции Hadron'95 (Манчестер, Великобритания, 1995), на Международном симпозиуме Strangeness in the Nucleón (ЦЕРН, Женева, 1997), а также на научных семинарах лабораторий ОИЯИ.

1 Экспериментальная установка

1.1 Пучки LEAR

Источником антипротонов для установки OBELIX являлся один из ускорителей ЦЕРН -LEAR (Low Energy Antiproton Ring). По своей сути LEAR являлся накопительным кольцом антипротонов низких энергий, которые поступали в него из протонного синхротрона (PS) с импульсом ~609 МэВ/с с последующим замедлением или ускорением. Антипротонные пучки LEAR обладали исключительно уникальными параметрами [32, 33]:

• интенсивность пучка - 2 • 104 -i- 1 • 106 антипротонов в секунду;

• разрешение по импульсу - ДР/Р < 10-3;

• примеси других частиц полностью отсутствуют;

• минимальное значение эмиттанса антипротонного пучка составляет ~ 10 ж мм-мрад;

• импульсный диапазон антипротонов - 90 -т-1700 МэВ/с;

• длительность сброса пучка (в зависимости от интенсивности) - от 15 минут до 5 часов.

1.2 Спектрометр OBELIX

1.2.1 Основные характеристики установки

Внешний вид и основные компоненты спектрометра OBELIX [34, 35] показаны на Рис.3. Начиная от центра установки, можно перечислить следующие основные детекторы спектрометра:

• мишень, содержащая газ или жидкость (#2, Z)2 и т.д.), помещена внутрь вершинного детектора или занимает весь объем вместо него;

• спирально-проекционная камера (SPC) - вершинный детектор с трехразмерным считыванием информации для заряженных треков и Х-лучей;

• внутренний цилиндр из 30 сцинтилляционных счетчиков времяпролетной системы (to/);

• цилиндрическая дрейфовая камера (JDC) с большим поперечным размером (0 ~ 1.6 м), высоким разрешением (сг ~ 200 мкм), трехразмерным считыванием информации и измерением ионизационных потерь dE/dX вплоть до 42 точек на трек;

• внешний цилиндр из 84 сцинтилляционных счетчиков времяпролетной системы (TOF);

• гамма-детектор высокого углового разрешения (HARGD) - 4 модуля, сделанных из слоев конвертора 3x4 м2, проложенных плоскостями стримерных трубок параллельно и поперек к оси пучка.

Все компоненты детектора установлены внутри и по диаметру полюсов открытого магнита аксиального поля (OAFM). Такая конфигурация позволяет регистрировать заряженные частицы в угловом диапазоне ~ 37Г, иметь для них высокое разрешение по импульсу и идентификацию по dE/dX и TOF в интервале углов > 2тг (используя SPC-, JDC-камеры и времяпролетную систему) за счет большого размера установки в радиальном направлении. Гамма-детектор также перекрывает более 2п, имеет высокую эффективность и угловое разрешение, достаточно тонкую гранулированность и трехмерную реконструкцию ливней.

Надо отметить, что установка была оптимизирована для регистрации заряженных частиц с достаточно низким порогом по импульсу (пионы, каоны и протоны успешно регистрируются детектором, начиная с импульса ~ 80,160 и 300 МэВ/с, соответственно) и высоким импульсным разрешением. Большой размер детектора обеспечивал хорошую 7г/А'/Р-идентификацию. Так, например, времяпролетная система позволяет выделять заряженные каоны вплоть до 0.6 ГэВ/с, а протоны до 1.1 ГэВ/с.

1.2.2 Магнит

Открытый магнит аксиального поля (OAFM - Open-Axial Field Magnet) предоставляет большой, свободного доступа, объем (длиной 1.5 м и дистанцией 2.5 м от оси пучка до нижней поверхности ярма магнита) с величиной поля в центре 0.5 Т (Рис.4). Конические отверстия (диаметром 48 см) для провода пучка обоих полюсов могут быть использованы для установки на место и доступа к вершинной камере SPC. Фотоумножители внутренних счетчиков времяпролетной системы работают в низком поле конусов магнита (<100 Г). Внутри чувствительного объема основного трекового детектора JDC магнитное поле имеет азимутальную симметрию не хуже чем 1%, а поперечная к направлению движения частиц составляющая поля, интегрированная по радиальному измерению дрейфовой камеры, является практически постоянной для полярного угла в диапазоне 45° < в < 135°. Как следствие, внутри Í2/4-7T ~ 70% достигается постоянное разрешение по импульсу для заряженных частиц с данной поперечной составляющей импульса.

1.2.3 Спирально-проекционная камера

В установке OBELIX вершинным детектором служит спирально-проекционная камера (SPC - Spiral Projection Chamber). Эта камера (Рис.5) имеет цилиндрическую симметрию (длина 60 см, внутренний и внешний диаметры 6 и 29 см соответственно), радиальное электрическое поле дрейфа и временное стробирование амплитуды сигнала (100 МГц FAD С). Чувствительный объем камеры, содержащий только рабочию газовую

Рис. 3: Внешний вид спектрометра OBELIX. 1.Магнит - OAFM; 2.Вершинный детектор - SPC; З.Времяпролетная система - TOF; 4.Цилиндрическая дрейфовая камера - JDC; 5. Электромагнитный калориметр - HARGD (SMl-f-4 - левый, правый верхний и нижний супермодули).

смесь, находится между сигнальными проволочками, вытянутыми по переферии детектора параллельно оси пучка, и внутренним цилиндрическим катодом. Сигнальные про-

Рис. 4: Общая схема открытого магнита аксиального поля О АРМ.

волочки дают трехмерное изображение ионизационных потерь (от заряженными частиц или Х-лучей) за счет стробирования импульса для каждой проволочки в течение времени дрейфа. Катод камеры может служить контейнером для газа мишени. Дрейфовые ячейки (всего 90), направленные радиально в отсутствии магнитного поля, принимают

Рис. 5: Схема вершинного детектора SPC.

спиральную форму при появлении магнитного поля вдоль оси детектора из-за зависимости электрического поля дрейфа Е ~ 1 /г (3.0 кВ/см около катода и 0.5 кВ/см около сигнальных проволочек). Основное назначение вершинного детектора - регистрация X-лучей, локализация их точки поглощения, измерение импульса и dE/dX для заряженных частиц.

Основные характеристики вершинного детектора:

• энергетическое разрешение для Х-лучей ае/Е — 10% • yj5.5/Е (кэВ/с2);

• среднее dE/dX-разрешение VdE/dxJ(dE/dX) = 25%;

• среднее разрешение восстановления координаты вершины события az ~ 4 -ь 5 мм, &х,у ~ 1 -г 1.7 мм;

• импульсное разрешение сгр/Р ~ 10 -i- 30%. 1.2.4 Цилиндрическая дрейфовая камера

Основным трековым детектором установки является цилиндрическая дрейфовая камера (JDC - Jet Drift Chamber), использовавшаяся ранее в Axial Field Spectrometer (AFS) (Рис.6). Камера состоит из двух независимых модулей (длина 140 см, внутренний и

3-х корон.

внешний диаметры 40 и 160 см, соответственно), каждый из которых включает 41 азимутальный сектор по 4° (Рис.7). Сигнальные проволочки имеют чувствительную длину 1.28 м. Каждая половина камеры состоит из трех корон по 14, 18 и 10 сигнальных проволочек по азимуту, соответственно в каждой короне. В итоге, каждый азимутальный сектор состоит из 42 чувствительных проволочек, расположенных в шахматном порядке (± 400 мкм) для разрешения лево/право-неопределенности. Полное число сигнальных проволочек в камере 3444. Рабочий газ камеры состоит из смеси аргона 50% и этана 50%, а напряжение электрического поля подобрано таким образом, чтобы получить скорость дрейфа близкую к насыщению 52 мкм/нс. Информация считывается с каждой стороны проволочки с помощью 8-битного РАБ С в течение 2.56 мкс после запуска с тактовой частотой 100 МГц.

Камера ЛБС используется для реконструкции треков заряженных частиц, измерения их импульсов, для идентификации частиц по с1Е/ёХ, для восстановления вторичных вершин.

Рис. 7: Схема дрейфовой ячейки камеры ЛБС.

Основные характеристики дрейфовой камеры:

• средняя эффективность получения нормального срабатывания проволочки на трек 96.5% ;

• пространственно-временное разделение двух треков для проволочки осуществимо, если расстояние между ними больше чем 2 мм (40 не времени дрейфа);

• среднее азимутальное разрешение <тГ1р = 160 мкм в плоскости г — </?;

с

и

Е 0.8

э а.

I 0.6

с

CP

<u 0.2

(Л

0

0.1 0.2 0.5 I 2 р (GeV/c)

5

Рис. 8: Распределение ионизационных потерь dE/dX внутри дрейфовой камеры JDC в зависимости от типа и импульса частицы.

• среднее разрешение по Z-координате az = 1.2 см, т.е. 0.8% от полной длины сигнальной проволочки;

• среднее dE/dX-разрешение a dE/dX/{dE/dX) ~ 10%, что позволяет идентифицировать протоны до импульса 1.0 ГэВ/с, а также различать пионы и каоны до 0.5 ГэВ/с (Рис.8).

1.2.5 Времяпролетная система

Времяпролетная система (TOF - Time-Of-Flight) состоит из двух цилиндрических наборов сцинтилляционных счетчиков (пластик NE110), при этом оси цилиндров совпадают с осью пучка. Внутренний цилиндр имеет диаметр 34.6 см и включает в себя 30 пластин (1 см толщиной, 80 см длиной и 3 см шириной). Внешний цилиндр имеет диаметр 271 см и включает в себя 84 пластины (4 см толщиной, 300 см длиной и 9 см шириной). Для регистрации светового сигнала используются быстрые фотоумножители (Philips ХР2982 и Philips ХР2020, соответственно для внутренних и для внешних счетчиков) с обеих сторон сцинтиллятора; форма световодов (из Lucite) подобрана таким образом, чтобы оптимизировать собирание света и минимизировать влияние магнитного поля. Кроме того, каждый фотоумножитель имеет два экрана из //-металла, чтобы практически полностью исключить воздействие магнитного поля на сигнал ФЭУ. Каждый ФЭУ имеет свой TDC и ADC для оцифровки времени и амплитуды сигнала. Счетчик считается сработавшим, если оба (левый и правый) ФЭУ дали ненулевые отсчеты в

пределах некоторых временных ворот. Усредненный временной импульс от левого и правого конца счетчика участвует в дальнейшей ON-LINE-цепочке по выработке сигнала триггера. Стартом для TDC и последующей цепочки считывания служит сигнал от счетчика антипротонов, расположенного по пучку перед мишенью установки, что позволяет использовать временное распределение отсчетов во внутреннем TOF-цилиндре как отображение времени р-аннигиляции в мишени.

Времяпролетная система обеспечивает наиболее быстрый отклик среди остальных составляющих детектора OBELIX. Временные отсчеты от TOF-системы доступны уже через 50 не. Они служат входной информацией для триггера первого уровня, который в течение 200 не вырабатывает решение о полезности события. Можно перечислить следующие возможности TOF-системы, используемые в OBELIX для организации быстрого триггера по отбору регистрируемых событий:

• отбор событий по времени минимального отсчета во внутреннем цилиндре TOF-системы, т.е. подавление событий, соответсвующих аннигиляции на лету и взаимодействиям в стенках мишени;

• триггер на количество отсчетов в каждом из цилиндров, что позволяет обогащать набор данных событиями с определенной множественностью заряженных частиц;

• триггер на медленную частицу, т.е. обогащение набираемых данных реакциями с каонами или протонами, сравнивая AT между отсчетами счетчиков внутреннего и внешнего цилиндров с заданным интервалом;

• триггер на топологию события, используя взаимное расположение сработавших счетчиков как внутри одного цилиндра, так и между внутренним и внешним цилиндрами: например, выделение событий в виде "вилки" или, наоборот, back-to-back.

В OFF-LINE-анализе информация времяпролетной системы используется для идентификации заряженных частиц. Среднее временное разрешение TOF-системы <7tof = 0.75 не, что позволяет различать каоны и пионы до импульса 0.6 ГэВ/с, а протоны - до 1.1 ГэВ/с (Рис. 15а).

1.2.6 Гамма-детектор высокого углового разрешения

Гамма-детектор (HARGD - High Angular Resolution Gamma Detector) состоит из четырех независимых супермодулей (4.0x3.0x0.8 м3 каждый), состоящих из свинцовой фольги конвертора (20 слоев по 3 мм, что соответсвует ~10 радиационным длинам) и активных элементов в виде стримерных трубок (размер одной ячейки 9x9 мм2), образующих 28 (4.0x3.0 м2, попеременно азимутальных и продольных к пучку) плоскостей вдоль поперечной состовляющей к оси установки (Рис.9). Каждый модуль отстоит от оси пучка на 1.5 м, что обеспечивает покрытие телесного угла более чем на 2-7г, а гранулированность

Containment Short strips Short LSTs

Short strips

Lead

Spacer

Long LSTs

[л U à А

• • V 7

• ■у • т X • X •

» • •

1* • • •

[• [Т • • • т X •

• ± • р .S. т

■ 1

гт к Иг ▼

Long strips Long LSTi Pads

Short strips Short LSTs Cover

' Spacer Pads Short LSTs

Lead

Long strips Long LSTs Pads Spacer Lead

Short strips

Рис. 9: Компоновка супермодуля электромагнитного калориметра - HARGD.

позволяет восстанавливать направление 7-лучей с угловым разрешением в несколько мрад.

Основное назначение гамма-детектора:

• измерение координаты точки конверсии 7-кванта;

• измерение энергии 7-квантов;

• определение направления высокоэнергетичных 7-квантов;

• регистрация нейтронов и антинейтронов от ядерных реакций. Основные характеристики гамма-детектора:

• энергетическое разрешение а^/Е ~ 20%/\[Е (ГэВ/с2) для всего, представляющего интерес, диапазона Е1 < 1.0 ГэВ/с2;

• чистое разделение 7-квантов от 7г° до импульса 1.0 ГэВ/с, соответствующего минимальному углу разлета ~ 16°.

2 Изучение рождения ф- и Ссьмезонов в аннигиляции покоящихся антипротонов в газообразном дейтерии при нормальных условиях

В данной главе рассказывается о проделанной работе по изучению каналов рождения фи с^-мезонов с отрицательным пионом и протоном в конечном состоянии при аннигиляции антипротонов, остановившихся в газообразной (при нормальных условиях - 1 атм.) дейтериевой мишени:

Эта работа посвящена анализу первого эксперимента коллаборации ОВЕ1ЛХ по проверке правила Окубо-Цвейга-Иизуки в рс?-аннигиляции в покое. Полученные результаты опубликованы в [26, 27, 28].

Данные каналы аннигиляции были выбраны для изучения потому, что предыдущие измерения на пузырьковых камерах [11, 12, 13, 14, 15] показали наличие большого нарушения правила ОЦИ. Однако, набранная в этих экспериментах статистика была явно недостаточна. Например, в [11] было зарегистрировано только 54 события фтт~.

В данной главе будет описан специальный триггер для выделения реакций (18) и (19), который учитывает, что рождающийся в аннигиляции протон может иметь не только спектаторные значения импульсов (< 250 МэВ/с), но и большие импульсы (> 400 МэВ/с), при которых этот протон может быть зарегистрирован в основном трековом детекторе, ЖС-камере. Подробно будет рассказано, как выделялись события аннигиляции остановившихся антипротонов в газе дейтерия внутри мишени, как осуществлялся подсчет исходного числа аннигиляций для событий, прошедших отбор ф-триггером, как находились параметры и эффективности каждого условия многоступенчатого триггера.

В этой главе также изложены основные критерии отбора полезных событий реакций (18) и (19) в соответствующих интервалах импульсов протона, методы фитирования окончательных экспериментальных распределений. Проведена проверка надежности рабочей процедуры и воспроизводимости экспериментальных данных в программе моделирования. Проведены обсуждение полученных результатов, оценка их систематических погрешностей, сравнение с предыдущими измерениями.

(18)

(19)

.0

2.1 Организация системы сбора данных, триггер

2.1.1 Специализированный триггер на ф-мезон

Конфигурация триггера, использующего информацию времяпролетной системы, была выбрана таким образом, чтобы оптимизировать регистрацию реакции

pd —> (20) ф К+К~ ,

где ps - протон со спектаторными значениями импульсов (< 250 МэВ/с). Согласно моделированию, основными особенностями этой реакции в лабораторной системе являются:

а) достаточно малый угол разлета между двумя каонами, ~ 25 ± 13°;

б) почти максимальный угол разлета между пионом и одним из каонов, ~ 179 ± 19°;

с) импульсы каонов лежат в пределах 150-Т-450 МэВ/с, т.е. один из каонов практически всегда имеет время пролета >8 не внутри TOF-системы, тогда как характерное время пролета пионов ~ 3 -т- 4 не.

Таким образом, интересующее нас событие выглядит как пара сильно скоррелиро-ванных каонов, вылетающих в противоположную сторону от пиона. Необходимо также напомнить, что образовавшиеся в аннигиляции протоны начинают выходить в основной трековый детектор, JDC-камеру, и долетать, соответственно, до внешнего цилидра TOF-системы начиная с импульса ~300 МэВ/с, а надежная их регистрация достигается при ~400 МэВ/с. Такой порог обусловлен толщиной в 1 см сцинтилляционных счетчиков внутренней TOF-системы. Поэтому, окончательная реализация триггера была выполнена с учетом регистрации событий с возможными быстрыми протонами, вышедшими в основной трековой детектор. Она выглядит следующим образом:

1) условие на множественность - 3 или 4 отсчета во внутреннем и во внешнем цилидре TOF-системы;

2) условие на угловую корреляцию (только внутри внутренней tof-системы) - необходимо наличие двух (любых из трех соседних) сработавших счетчиков (каоны), расположенных противоположно третьему, также давшему отсчет, счетчику (пион); позиция четвертого срабатывания (возможный протон), если оно есть, произвольна;

3) условие на медленную частицу - необходимо наличие разницы AT >8 не между минимальным отсчетом во внутренней tof-системе и каким-либо срабатыванием внешней TOF- системы.

Всего было набрано около 1.1 • 106 событий с такой конфигурацией триггера. Изображение типичного события р-аннигиляции, отобранного триггером, показано на рис.10.

2.1.2 Выделение аннигиляций антипротонов в газе дейтерия

Был использован пучок антипротонов на выходе LEAR с импульсом Р —105 МэВ/с (ДР/Р < Ю-3) и средней интенсивностью ~ 5 • 104р в секунду, бывшей на тот момент

—1——Iи—м!

{¡ШЗЕЩШ!

Рис. 10: Изображение на дисплее типичного события, отобранного триггером.

наиболее оптимальной для набора данных установкой. Запуск электроники считывания и логики триггера осуществлялся от расположенного перед мишенью сцинтилляцион-ного счетчика антипротонов, толщиной 80 мкм. Длина мишени (62 см) была подобрала таким образом, чтобы антипротоны с данным импульсом останавливались в ее центральной части. Диаметр мишени (6 см) недостаточен для того, чтобы избежать анни-гиляций в стенках мишени.

Характерная задержка между запуском от р-счетчика до полной остановки антипротона в газе мишени состовляет 20^30 не, меньшие времена, в основном, соответствуют

40 35 30 25 20 15 10 5 0

- 1 1 о)-

•'Г '.' V.•:.'• " 'У'х-'х'&'гг'- •"• -

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Прахов, Сергей Николаевич

Основные результаты диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана методика по нахождению эффективности и параметров триггера спектрометра OBELIX, исходного количества аннигиляций, выделению взаимодействий остановившихся антипротонов, а также выработке критериев выделения полезных физических событий в установке OBELIX. Она реализована в виде соответствующего программного обеспечения, которое используется коллаборацией OBELIX при обработке экспериментальных данных. Подготовлена также часть программы моделирования событий в детекторе OBELIX, воспроизводящая работу триггера с его параметрами и эффективностями.

2. Впервые для двух диапазонов импульсов Р протонов-спектаторов измерена вероятность аннигиляции по каналу (84) для покоящихся антипротонов в газообразном дейтерии:

W(pd -»• фж'р) = (6.62 ± 0.48) • 10~4 , Р < 200 МэВ/с , W(pd фтг'р) = (0.95 ± 0.22) • 10~4 , Р > 400 МэВ/с .

3. Впервые для диапазона импульсов протонов Р > 400 МэВ/с измерена вероятность аннигиляции по каналу (85) для покоящихся антипротонов в газообразном дейтерии:

W(pd -у Ш7г~р) = (8.4 ± 1.1) • Ю-4 , Р> 400 МэВ/с.

Получена зависимость вероятности аннигиляции по каналу pd от импульса протона в интервале 4004-1000 МэВ/с. Она находится в достаточно хорошем согласии с результатами расчетов [37], основанных на учете процессов перерассеяния образовавшихся в конечном состоянии мезонов.

4. Определены отношения вероятностей аннигиляции R(pd —у фж~р / pd —»■ wiv~p) для двух диапазонов импульсов Р протонов-спектаторов:

R (фж-р/шж'р) = (133 ± 26) • Ю-3 , Р < 200 МэВ/с , = (113 ± 30) ■ Ю-3 , Р > 400 МэВ/с .

Они показывают значительное отклонение от правила ОЦИ, которое предсказывает Я(ф/и}) = (0.15 Ч- 4.2) • Ю-3 . Величина параметра Z, характеризующего степень нарушения правила ОЦИ, равна

Z\ =0.29 ±0.03 , что значительно больше чем в других процессах адронного взаимодействия, где параметр нарушения Z есть \Z\ ~ 0.06 0.1 .

5. Изучена реакция рр К+К~г] (89) аннигиляции покоящихся антипротонов в газообразном водороде при нормальных условиях. Впервые получена вероятность аннигиляции по каналу (89) для покоящихся антипротонов в газообразном водороде при нормальных условиях:

W(pp -»■ K+K~ri) = (4.67 ± 0.35) • 10"4 .

Определены нижний и верхний пределы вероятности аннигиляции по каналу (87) для покоящихся антипротонов в газообразном водороде при нормальных условиях:

0.74 ± 0.22) • Ю-4 < ]У(рр^фт]) < (1.04 ± 0.33) • 10"4 .

6. Определены вероятности аннигиляции в покое для реакции (88) при трех различг ных плотностях водородной мишени:

W{pp -> К+К-7г°) = (23.7 ± 1.6) • Ю-4 , LH2 , = (30.3 ± 2.0) • Ю-4 , NTP , = (31.5 ± 2.2) • 10~4 , LP(5 мбар) .

Парциально-волновой анализ показал, что увеличение выхода данного канала при переходе от аннигиляции в жидкости к газу при низком давлении объясняется возрастанием выхода К* и тензорных мезонов в аннигиляции из Р-волны.

7. Определены вероятности аннигиляции в покое по каналу рр —> фтг° для трех плотностей водородной мишени:

W(pp -»■ фж°) = (4.88 ± 0.32) • Ю-4 , LH2 , = (2.47 ± 0.21)-КГ4 , NTP , = (0.92 ± 0.10) • Ю-4 , LP(5 мбар) .

Значения для LH2- и NTP-данных согласуются с результатами предыдущих измерений [1, 18, 29, 61], а значение для LP-данных получено впервые. Для LP-данных определен верхний предел на величину вклада xPi в вероятность аннигиляции по каналу рр —>■ фж°:

WiPl(pp фж°, LP) < 0.1 ■ 10"4 с 95% уровнем достоверности.

8. В аннигиляции покоящихся антипротонов изучена зависимость выхода реакции pN —> фж от начальных квантовых чисел piV-еистемы.

В измерениях с мишенью из газообразного дейтерия анализ углового распределения распада 0-мезона в реакции рп —» фж" показал доминирующее рождение данного канала из спин-трип летного начального состояния ASi.

В измерениях с мишенью из газообразного водорода при нормальных условиях из анализа углового распределения распада ^»-мезона определен верхний предел на процентный вклад Р-волны в выход фж°:

Rp(pp фж°) < 13% с 95%CL .

Из результатов парциально-волнового анализа реакции (88) получены оценки вероятностей рождения фж° из начальных состояний 35>1 ж1Рх :

Вг(рр фтт°, 3&) = (7.57 ± 0.62) • 10~4 ,

Вг(рр -> фтг°, 1Р1) < 0.5 • Ю-4 с 95%СЬ .

Полученные значения показывают, что вероятность рождения фтг° из начального состояния 35,1 по крайней мере в 15 раз больше чем вероятность из 1Р\.

Таким образом, совокупность результатов всех трех экспериментов указывает на наличие сильной зависимости рождения фтт от начальных квантовых чисел рЫ-системы. Данное динамическое правило отбора не объясняется в обычных моделях аннигиляции, кроме модели поляризованной внутренней странности нуклона.

9. Впервые выполнено измерение вкладов Б- и Р-волн в вероятность аннигиляции в покое по каналу рр —> /2(1525)7Г° для ЬН2- и ЬР(5 мбар)-водородных мишеней. Оно показало, что выход /^-л-0 из Р-волны существенно больше (в 4-ь10 раз) чем выход из ¿-волны. Для наилучшего варианта описания данных получены следующие значения вероятностей аннигиляции:

1(рР = (2-26 ± 0.68) • 10"4 , ЬН2, Б - волна, (20.4 ± 2.0) • Ю-4 , ЬР, Р - волна.

10. Впервые в аннигиляции покоящихся антипротонов проведена проверка правила ОЦИ для тензорных мезонов. Получены следующие отношения вероятностей рождения /2(1525)7г0 и /2(1270)7г° в рр-аннигиляции из и Р-волны:

Я(РР /2тг°/рр ->• /2тг°) = (47 ± 14) • Ю-3 , Э - волна, (149 ± 20) • Ю-3 , Р - волна.

Таким образом, обнаружено, что при аннигиляции из Р-волны предсказания правила ОЦИ (Р(/2//2) = 16-Ю-3) нарушаются наибольшим образом. Такой характер нарушения правила ОЦИ для тензорных мезонов был предсказан в модели поляризованной внутренней странности нуклона [22, 23].

В заключении считаю своим приятным долгом выразить благодарность ряду сотрудников ОИЯИ и коллаборантам по эксперименту ОВЕЫХ, чья помощь и поддержка способствовали выполнению настоящей работы.

Прежде всего я глубоко благодарен моему научному руководителю М.Г.Сапожникову за помощь и постоянное внимание к работе.

Искренне признателен своим соавторам по научным публикациям: В.Г.Аблееву, Д.Бендишоли, М.П.Бусса, О.Ю.Денисову, У.Гасталди, О.Е.Горчакову, Ф.Никитиу,

Г.Пираджино, Д.Пудду, А.Ротонди, А.М.Рождественскому, П.Салвини, П.П.Темникову, В.И.Третьяку и А.Филиппи, за помощь и их вклад в настоящую работу, а также полезные дискуссии.

Я благодарю ученого секретаря ЛЯП ОИЯИ В.А.Беднякова за техническую помощь в оформлении текста диссертации.

Заключение

Диссертация посвящена проверке правила Окубо-Цвейга-Иизуки при рождении 0(1020)-и /2(1525)-мезонов в аннигиляции покоящихся антипротонов. Интерес к этой проблематике обусловлен недавно обнаруженным аномально большим нарушением правила ОЦИ в аннигиляции покоящихся антипротонов. Сильная зависимость рождения этих мезонов от начальных квантовых чисел piV-системы может служить подтверждением модели поляризованной внутренней странности нуклона [22, 23]. Эксперименты, описанные в диссертации, были проведены на пучке антипротонов LEAR в ЦЕРН с помощью спектрометра OBELIX с использованием дейтериевых и водородных мишеней. Многие из результатов получены впервые.

В первом эксперименте изучалось рождение ф- и а;-мезонов в реакциях pd фж~р , (84) pd —шж~р (85) при аннигиляции остановившихся антипротонов в газообразном дейтерии. Данное измерение проводилось для двух диапазонов импульсов Р протонов-спектаторов: Р < 200 МэВ/с и Р > 400 МэВ/с . Набранная экспериментальная статистика для реакции (84) в области медленных протонов-спектаторов более чем в 10 раз превышает все предыдущие исследования, выполненные на пузырьковых камерах. Измерение же реакций (84) и (85) в области протонов с Р > 400 МэВ/с проведено впервые.

Во втором эксперименте изучались особенности рождения ^-мезонов в реакциях рр фж° , (86)

РР ФП (87) при аннигиляции покоящихся антипротонов в газообразном водороде при нормальных условиях. Для этого исследовалась реакция рр —> К+К~Х, где X - это ж0 или 77-мезон, распадающийся на нейтральные частицы. Набранная экспериментальная статистика в несколько раз превышала статистику единственного подобного эксперимента [1].

Третья серия экспериментов была посвящена изучению рождения <£(1020)- и f2(1525)-мезонов в реакции рр ->■ К+К~ж° , (88) при аннигиляции покоящихся антипротонов. Экспериментальные данные набирались при трех плотностях водородной мишени: жидкость (LH2), газ при нормальных условиях (NTP) и газ при низком давлении в 5 мбар (LP). Впервые был проведен парциально-волновой анализ реакции (88).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Прахов, Сергей Николаевич, 1998 год

Список литературы

[1] [2]

И [4] [5 [6

[9 10 11 12

13

14

15

16

17

18

J.Reifenrother et al., Phys.Lett., B267 (1991) 299.

S.Okubo, Phys.Lett. 5 (1963) 165; G. Zweig, CERN Report TH 412 (1964); I.Iizuka, Prog. Theor. Phys. Suppl. 37-38 (1966) 21.

H.J.Lipkin , Phys.Lett., B60 (1976) 371.

S.Okubo, Phys.Rev., D16 (1977) 2336.

Particle Data Group, Phys. Rev., D54 (1996).

A.M. Cooper et al., Nucl.Phys., B146 (1978) 1.

C.B.Dover et al., Prog.Part.Nucl.Phys., 29 (1992) 87.

J.Ellis, E.Gabathuler, M.Karliner, Phys.Lett., B217 (1989) 173.

J.Ellis , M.Karliner, Phys.Lett. B313 (1993) 407.

J.Ellis et al., CERN preprint, TH/94-7326, Geneva, 1994.

R.Bizzarri R. et al., Nuov.Cim., 20A (1974) 393.

L.Gray et al., Phys.Rev.Lett, 29 (1966) 501.

A.Bettini et al., Nuov.Cim., 63A (1969) 1199.

R.Bizzarri et al., Phys.Rev.Lett, 25 (1970) 1385.

A.Bettini et al., Nuov.Cim., 47A (1967) 642.

C.Dover, P.Fishbane, Phys.Rev.Lett. 62 (1989) 2917.

S.I.Bityukov et al., Phys.Lett., B188 (1987) 383.

M.A.Faessler for the Crystal Barrel Collaboration,

Proc.NAN'93 Conference,Moscow, 1993, Phys. At. Nuclei 57 (1994) 1693.

K.Braune et al., Proc.LEAP-92 Conf., Courmayeur, 1992. Nucl.Phys., A558 (1993) 269c.

Y.Lu, B.S.Zou, M.P.Locher, Z.Phys., A347 (1994) 281.

D.Buzatu, F.M.Lev, Phys.Lett., B329 (1994) 143. J.Ellis et al., Phys.Lett., B353 (1995) 319.

M.Alberg, J.Ellis, D.Kharzeev, Phys.Lett., B356 (1995) 113.

The SMC Collaboration, B.Adeva et al., Phys.Lett., B412 (1997) 414. D.Buzatu, F.M.Lev, Phys.Lett., B359 (1995) 393.

The Obelix Collaboration, V.G. Ableev et al, Proc. Hadron'93 Conference, Como, 1993; Nuovo Cim., A107 (1994) 2315.

The Obelix Collaboration, V.G. Ableev et al, Proc. NAN-93 Conference, Moscow, 1993; Phys. Atom. Nucl., vol.57, N.10 (1994) 1716.

The Obelix Collaboration, V.G. Ableev et al, Preprint JINR-E15-94-343, Dubna, 1994; Nucl.Phys., A585 (1995) 577.

The Obelix Collaboration, V.G.Ableev et al., Nucl. Phys., A594 (1995) 375.

The Obelix Collaboration, A.Bertin et al., Proc. Hadron'95 Conference, Manchester, UK, 1995; World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd. (1996) 377.

The Obelix Collaboration, A.Alberico et al., Phys.Lett., B438 (1998) 430

The LEAR Team, Performance update on LEAR, CERN/PS 87-26 (LEA), Geneva, 1987.

Lefevre P., LEAR, present status, future and developments, Physics at LEAR with low energy antiprotons, Proc. 4th LEAR Workshop, Villars-sur-Ollon, 1987, ed. C.Amsler et al., Harwood Academic Publisher, Chur, 1988.

R.Armenteros et al., Proposal on Study of Antinucleon Annigilations at LEAR with OBELIX, CERN/PSCC/86-4 (1986).

A.Adamo et al., Sov.J.Nucl.Phys., 55 (1992) 1732.

Zou B.S., private communication.

D.Buzatu, F.M.Lev, Phys. Atom. Nucl., v.58 (1995) 480.

M.P.Locher, A.Svarc, Z.Phys. A338 (1991) 89.

The Obelix Collaboration, A.Adamo et al., Phys.Lett., B284 (1992) 448. M.P.Locher, B.S.Zou, Few-Body Systems, 12 (1992) 1.

D.E.Kharzeev et al., Sov.J.Nucl.Phys., 55 (1992) 1212; JINR preprint E91-104, 1991, Dubna.

A.M.Rozhdestvensky, M.G.Sapozhnikov, Surveys in High Energy Physics, 6 (1992) 115. F.Close, H.Lipkin, Phys.Lett., B196 (1987) 245.

[44] P.A.Aarnio et al. Fluca user's guide. Technical Report TIS-RP-190,CERN, 1987, 1990.

[45] R.Bizzarri et al., Nuov.Cim., 22A (1974) 225.

[46] C.Amsler et al, Z.Phys., C58 (1993) 175.

[47] The Obelix Collaboration, V.G.Ableev et al., Phys.Lett., B334 (1994) 237.

[48] V.Filippini et al., Phys.Rev. D51 (1995) 2247.

[49] J.Reifenrother and E.Klempt, Phys.Lett., B245 (1990) 129.

[50] The Obelix Collaboration, A.Alberico et al., Phys.Lett., B432 (1998) 427.

[51] C.J.Batty, Nucl.Phys., A601 (1996) 425.

[52] N.Bar ash et al., Phys. Rev., Voll39 (1965) B1659.

[53] G.Usai for the Obelix Collaboration, Proc.LEAP'96 Conference, Nucl. Phys. B (Proc.Suppl.), A56 (1997) 262 and in press on Phys. Lett.

[54] The Crystal Barrel Collaboration, C.Abele et al., Phys. Rev., D57 (1998) 3860.

[55] N.Bar ash et al., Phys.Rev., 145 (1966) 1095.

[56] A.Abele et al., Phys.Lett., B415 (1998) 289.

[57] D.Herndorn, P.Soding and R.J.Cashmore, Phys. Rev., Dll (1975) 3165.

[58] V.Filippini, A.Fontana, A.Rotondi, Phys. Rev., D51 (1995) 2241.

[59] N.A.Tornqvist, Z. Phys., C68 (1995) 647.

[60] F.James and M.Roos, CERN program library, D506 (1989).

[61] M.Chiba et al., Phys.Lett., B202 (1988) 447.

[62] The Obelix Collaboration, A.Bertin et al., Phys.Lett., B408 (1997) 476.

[63] M.Foster et al., Nucl. Phys., B6 (1968) 107.

[64] The Crystal Barrel Collaboration, A. Abele et al., Phys.Lett., B411 (1997) 354.

[65] The ASTERIX Collaboration, B.May et al., Z. Phys., C46 (1990) 191.

[66] J.Vandermeulen, Z. Phys., C37 (1988) 563.

[67] The Crystal Barrel Collaboration, A.Abele et al., Phys.Lett., B385 (1996) 425.

[68] B.S.Zou, Proc.NAN'95 Conference,Moscow,1995; Phys. At. Nuclei, 59 (1996) 1485.

[69] A.Filippi for the Obelix Collaboration, talk at LEAP98 Conference; the proceedings are in press.

[70] R.Dona for the Obelix Collaboration, talk at LEAP98 Conference; the proceedings are in press.