Оглавление
Введение 4
1 Фоторождение мезонов в области нуклонных резонансов 7
1.1 Теория..................................................... 8
1.1.1 Изоспиновые амплитуды................................. 9
1.1.2 Мультипольний анализ................................. 10
1.2 Эксперимент............................................... 13
1.2.1 Фоторождение 7Г-МЄЗОНОВ.............................. 15
1.2.2 Фоторождение 77-мезонов......................... 18
1.2.3 Фоторождение пар 7Г7Г........................... 22
2 Установка 26
2.1 БЭИТ ..................................................... 26
2.2 Пучок 7-квантов........................................ 27
2.2.1 Кинематика обратного комптоновского рассеяния . . 27
2.2.2 Получение пучка 7-квантов....................... 28
2.2.3 Измерение энергии 7-квантов..................... 31
2.2.4 Монитор пучка 7-квантов......................... 32
2.3 Мишень.................................................... 34
2.4 Детектор ІЖЖА^Е........................................... 35
2.4.1 Плоские пропорциональные камеры................. 37
2.4.2 Двойная стена из пластиковых сцинтилляторов ... 37
2.4.3 Детектор ливней................................. 38
2.4.4 Цилиндрические пропорциональные камеры........... 38
2.4.5 Цилиндричекий детектор из тонкого пластикового
сцинтиллятора («ВаггеЬ)......................... 39
2.4.6 ВСО-калориметр.................................. 40
2.4.7 Вето детектор................................... 41
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.5 Система сбора данных . ...................................... 41
2.5.1 Общее описание......................................... 41
2.5.2 Формирование триггеров записи событий . 42
2.6 Организация анализа данных.................................... 43
2.6.1 Экспериментальные данные............................. 43
2.6.2 Моделирование.......................................... 45
3 Эффективность регистрации нейтронов 47
3.1 Моделирование................................................ 48
3.2 Эксперимент.................................................. 50
3.3 Результат.................................................. 56
3.3.1 ВвО- калориметр........................................ 56
3.3.2 Детектор ливней........................................ 63
4 Анализ реакций 65
4.1 Общие определения ........................................... 65
4.1.1 Вычисление сечений..................................... 65
4.1.2 Вычисление эффективности регистрации реакции и её
применение к экспериментальным данным.................. 66
4.2 Фоторождение 77-мезонов на дейтроне.......................... 68
4.2.1 Отбор событий и идентификация каналов.................. 68
4.2.2 Коррекция углов вылета частиц и вычисление эффективной энергии налетающих 7-квантов ............... 73
4.2.3 Эффективность регистрации............................ 79
4.2.4 Вычисление дифференциальных и полных сечений . 80
4.3 Когерентное фоторождение 7г° мезонов на дейтроне 85
4.3.1 Отбор событий.......................................... 86
4.3.2 Эффективность регистрации............................ 89
4.3.3 Оценка полного сечения................................ 91
4.4 Реакция 7р —> 7г°7г+п........................................ 92
4.4.1 Отбор событий.......................................... 92
4.4.2 Эффективность регистрации.............................. 97
4.4.3 Распределения инвариантных масс 7г+7г°, 7г+п, 7г°тг . . 98
4.4.4 Вычисление сечения, интегрированного в аксептансе
детектора ЬАОЛА^Е..................................... 101
Заключение 105
3
Введение
Целью настоящей диссертационной работы является получение новых данных о процессах фоторождения 7г и г] мезонов на протоне и дейтроне в области энергий гамма-квантов 700-^-1500 МэВ. Работа выполнена на установке ОИААЬ, расположенной в Европейском Центре Синхротронно-го Излучения (ЕЗЯР). Для получения пучка 7-квантов используется метод обратного комптоновского рассеяния. Благодаря этому методу пучок 7-квантов обладает достаточно высокой энергией и интенсивностью, низким уровнем фона и высокой степенью поляризации. Детектор ЬАвГШ^Е установки СЯААЬ, разработанный для таких исследований, имеет большой телесный угол (« 3.87г) и высокую эффективность регистрации продуктов реакций, что позволяет качественно проводить исследования фоторождения мезонов.
Изучение процессов фоторождения мезонов является одним из инструментов в исследовании структуры нуклона. Полное сечение фотопоглощения на нуклоне имеет резонансную структуру, которая свидетельствует о наличии возбуждённых состояний нуклона (нуклонных резонансов). Знание свойств нуклонных резонансов является ключом к пониманию структуры самого нуклона. Испускание мезонов является основным каналом перехода нуклона из возбуждённого состояния в основное. Характерное время протекания таких процессов составляет ~ ДО"24 сек (сильное взаимодействие), что соответствует неопределенности в наблюдаемой энергии возбуждения около нескольких 100 МэВ. При этом различие в массе разных нуклонных резонансов может составлять ~ 10 МэВ, что приводит к сильному перекрытию в наблюдаемом энергетическом спектре. Фоторождение мезонов может происходить и без возбуждения нуклонных резонансов (например, через обмен векторными мезонами), что вносит дополнительный
4
Введение
нерезонансный фон в наблюдаемые. Реально из всего экспериментально наблюдаемого спектра полного сечения взаимодействия 7-кванта со свободным нуклоном может быть выделен только один максимум, который соответствует наиболее низколежащему возбуждённому состоянию. Изучение различных парциальных каналов фоторождения мезонов позволяет выявить резонансы, которые из-за сильного перекрытия и нерезонансного фона не могут быть выделены в полном инклюзивном сечении.
Отдельный интерес представляет изучение фоторождения мезонов на дейтроне, как самом лёгком, после протона, ядре. Малая энергия связи и хорошо изученная внутренняя структура делают дейтрон исключительно важной мишенью для изучения фоторождения мезонов. В отсутствие нейтронных мишеней, данные о сечениях фоторождения на дейтроне могут быть использованы для получения информации о сечениях фоторождения на нейтроне.
В данной работе изучаются реакции 7с! —> г)р(п), 7(I —> щ(р), 7с? —*- тг°с( и тр —> 7г°7г4‘п. Интерес к изучению фоторождения 77-мезона во многом обусловлен его изоскалярностыо. Тот факт, что изоспин 77-мезона I = О, приводит к тому, что r}N системы могут образовывать связанные состояния только с изоспином 1 = 1/2. Уменьшение числа возможных резонансов упрощает интерпретацию данных и позволяет исследовать состояния, которые плохо проявляются при изучении nN каналов.
Реакция 7^ —♦ я°(1 интересна тем, что в импульсном приближении её амплитуда равна сумме амплитуд реакций 7р —> 7г°р и 771 —> тг°гг. Этот факт позволяет использовать её, как альтернативный способ получения информации о фоторождении 7Г° на нейтроне. Сечения реакции 7(I —> тг°с£ очень малб и требует анализа большого количества статистических данных. Из-за ограниченности используемых данных, анализ этой реакции в данной работе был ограничен лишь оценкой сечения.
Интерес к изучению реакций двухпионного фоторождения, в частности
канала 7г°7г+п, обусловлен тем, что они вносят основной вклад в полное
сечение фотопоглощения при энергии 7-квантов Е7 ~ 0.7 1.5 ГэВ. Так
#
же, эти реакции дают возможность изучать различные моды распадов резонансов, такие как М* —► 7гД, М* —> pN и УУ* —► стУУ.
5
Введение
Экспериментальное определение сечений реакций требует знания функций отклика детектора на различные типы частиц. В данной работе большое внимание уделяется исследованию эффективности регистрации нейтронов, знание которой, является необходимым для вычисления сечений реакций 7d —> щ(р) и 7р -* 7г°7г+тг, содержащих нейтрон в конечном состоянии. Проблема определения функции отклика детектора для нейтронов обусловлена природой их взаимодействия с веществом. При попадании в детектор, нейтрон, при условии, что он обладает достаточной энергией, образует в веществе детектора адронный ливень (последовательность различных ядерных взаимодействий). Однозначно связать энергию, выделенную в таком адронном ливне, с энергией налетающего нейтрона нельзя, так как она зависит от типов ядерных взаимодействий, которым сопровождался ливень. Эта же причина определяет невозможность однозначной связи амплитуды импульса на выходе детектора с энергией нейтрона.
Задачи данной работы состоят в:
1. разработке алгоритмов и программ анализа экспериментальных данных установки GRAAL по фоторождению 7г- и 77-мезонов на протоне и дейтроне,
2. определении эффективности регистрации нейтронов в сцинтилляци-онном детекторе типа «crystal ball» на основе BGO при различных энергетических порогах регистрации,
3. измерении дифференциальных и полных сечений фоторождения 77-мезонов на квазисвободных протоне и нейтроне,
4. измерении сечения когерентного фоторождения 7Г°-МЄЗОНОВ на дейтроне,
5. измерении сечения реакции 7р —* 7г0тг+7г и получении распределений инвариантных масс для пар 7Г+7Г°, тг7г° и ті7Г+.
б
Глава 1
Фоторождение мезонов в области нуклонных резонансов
Согласно стандартной модели, нуклон представляет собой систему со многими внутренними степенями свободы. Составными частями этой системы являются кварки и глюоны, которые связаны в нуклоне сильным взаимодействием. Теория, описывающая данное взаимодействие — квантовая хромодинамика — предполагает введение константы связи сильного взаимодействия, которая зависит от переданного импульса. Причём, чем меньше переданный импульс, тем больше константа связи. В области переданных импульсов (расстояний) характерных для нуклона (в непертур-бативной области) константа связи сильного взаимодействия > 1 и методы теории возмущений не применимы, а иных регулярных методов, позволя- * ющих получить непертурбативные результаты, не существует. На данный момент существует ряд альтернативных моделей нуклона [1], задачей которых является выявление эффективных степеней свободы нуклона, позволяющих описать спектр его возбуждённых состояний, однако больших успехов на данный момент нет.
Указанные проблемы являются причиной того, что изучение спектра возбуждённых состояний нуклона остаётся актуальной темой многих экспериментальных и теоретических исследований. Одним из инструментов таких исследований является фоторождение мезонов. Обзор современного состояния в этой области дан в работе [2|. В настоящий Момент не существует моделей адронов, которые способны предсказать экспериментально
7
1.1 Теория
Глава 1. Фоторождение мезонов в области нуклопиых резонансов
наблюдаемые величины: сечения, асимметрии, степени поляризации и т.д. Базирующиеся на квантовой хромодинамике, существующие модели адронов используются для предсказания их спектра и свойств: масс, Г-ширин, спиральных амплитуд Ауч, и т.д. Связь между величинами, наблюдаемыми в эксперименте, и предсказанными свойствами адронов осуществляется посредством мультипольного анализа, дополняемого, как правило, различными моделями реакций.
Доминирующими каналами распада нуклонных резонансов являются каналы с образованием тг или 77, как наиболее лёгких из мезонов. С другой стороны, распады более тяжёлых мезонов, таких, как р и так же сопровождаются образованием 7Г или 77, поэтому изучение фоторождения этих двух наиболее лёгких мезонов остаётся основным инструментом в изучении структуры нуклона. Детальное теоретическое описание реакций 7ЛГ —► 7гУУ, 'уА7 —> 77ЛГ и 7.ЛГ —> 7Г7ГN может быть найдено в работах [3], [4] и [5] соответственно. В данной работе, в §1.1 будет дано краткое описание методов анализа изоспиновых и мультипольных амплитуд реакций фоторождения 7Г и 77-мезонов на нуклоне, необходимое для дальнейшего обсуждения соответствующих экспериментальных данных. Обзор существующих экспериментальных данных по фоторождению 7Г, 77 и 7Г7Г на нуклоне будет сделан В §1.2.
1.1 Теория
Для описания ядерных реакций в квантовой теории столкновений часто используется формализм Г-матрицы, которая называется матрицей переходов. Её матричные элементы Г/,- есть амплитуды перехода из начального состояния |г > в конечное |/ > в системе сталкивающихся тел. Следовательно, легко связать наблюдаемые экспериментально дифференциальные сечения с матричными элементами 7/*:
% ~ , I1-1)
В случае реакций рассеяния фотонов на нуклоне, Т матрица перехода может быть представлена, как сумма произведений релятивистских инвари-
8
1.1 Теория
Глава 1. Фоторожденпе мезонов в области нуклонных резонансов
антов Mj и амплитуд электромагнитных взаимодействий Aj [6]:
4
Г = £МЛ-- (1.2)
Я=1
Таким образом, матричные элементы Тд будут определяться, как сумма:
4
Г/і * 5^ < >, (1.3)
і=і
здесь щи и/ — дираковские спиноры, соответствующие начальному и конечному состоянию нуклона, рі и р/ — 4-импульсы нуклона в начальном и конечном состояниях. Релятивистские инварианты определяются сле-
дующими выражениями [6]:
М\ = Z757 * 67*fc, (1.4)
М2 = 2tf{P-eq-k-P-kq-e), (1.5)
Мг = 75(7’^*А:-7-/:9-б), (1.6)
М\ = 275(7 • бР •/с - 7 •/сР * 6 - гтлг7 • €7 • fc), (1.7)
где 75 и 7 — матрицы Дирака, е — вектор поляризации фотона, к и q — 4-импульсы налетающего фотона и рождённых тг- или 77-мезонов, Р = (р* +р/)/2,7Пдг — масса нуклона.
1.1.1 Изоспиновые амплитуды
В электромагнитных взаимодействиях суммарный изоспин системы не сохраняется и, следовательно, имеет зависимость от начальных и конечных изоспиновых состояний. А$ могут быть представлены, как разложение по изоспиновым амплитудам:
А) = \А[-\та, го] + А^8а0 + А^та, (1.8)
где Та — матрицы Паули, действующие на изоспинор нуклона. Изоспиновые амплитуды часто определяют, как А1^, соответствующая изоскалярной компоненте AjJ А™, соответствующая изовекторной компоненте с изменением изоспина А1 = 0, и А^3, соответствующая изовекторной компоненте
- Київ+380960830922