Оглавление
\
Введение 3
1 Экспериментальная и теоретическая ситуации с поляризационными эффектами во взаимодействии адронов высокой энергии 7
11 Экспериментальные результаты по исследованию односпиновой асимметрии Ан в адронных столкновениях . 9
111 Эксперименты по измерению Ан в центральной области 10
1Л 2 Эксперименты в области фрагментации поляризованной частицы 14
1.1.3 Эксперименты в области фрагментации неполяризованной частицы ... . . 18
1 2 Теоретические модели образования односпиновой асимметрии 20
12 1 Модели с дополнительным поперечным импульсом 22
12 2 Вклад высших твистов 27
12 3 Модели с хромо-магнитным полем . 29
12 4 Модели с орбитальным моментом . 32
12 5 Другие модели . 34
2 Описание эксперимента 35
2 1 Поляризованный протонный пучок на коллайдере ПНЮ 35
2 2 Передний пионный детектор 37
2 3 Прототип переднего пионного детектора в сеансе 2002 I ода 39
2 31 Прототип торцевого электромагнитного калориметра 39
2 3 2 Прототип детектора максимума ливня 41
2 3 3 Свинцовое стекло и фотоумножители 42
2 3 4 Пучковые счетчики - мониторы светимости 43
2 3 5 Электронная аппаратура и триггер 43
2 4 Передний пионный детектор в сеансе 2003 года 45
2 4 1 Калориметры из свинцового стекла 45
2 4 2 Детектор максимума ливня . 46
2 4 3 Пучковые счетчики - мониторы светимости 48
2 4 4 Электроника . • 49
3 Первые результаты по односпиновой асимметрии в реакции р| -г р —*
яг0 -{■ X вперед при у/$ = 200 ГэВ 51
3 1 Постановка эксперимента 51
1
3.2 Анализ данных . . . . 53
3.2.1 Реконструкция тг°-мезонов ...................... . 53
3 2.2 Калибровка калориметров ..................................... 56
3.2.3 Сравнение с моделированием методом Монте-Карло 58
3.2.4 Алгоритм вычисления асимметрии . 60
3 3 Экспериментальные результаты . 64
* 3 4 Обсуждение результатов . . 67
3 4.1 Сравнение с другими экспериментальными данными 67
3 4 2 Сравнение с теоретическими моделями 67
3 4 3 Поляриметрия на основе асимметрии в инклюзивных реакциях 68
3 5 Выводы по данной главе ... 69
4 Дальнейшее изучение односпиновой асимметрии в реакции + р —»
7г° + X при уі = 200 ГэВ 71
4 1 Постановка эксперимента . 71
4 2 Анализ данных .... 72
4 2 1 Реконструкция гамма квантов от распада 7г°-мезонов высокой
энергии в калориметре из свинцового стекла 72
* 4 2 2 Моделирование развития электромагнитных ливней высокой энер-
гии в калориметре из свинцового стекла и сравнение с экспериментальными данными . 74
4 2 3 Калибровка калориметров переднего пионного детектора 86
4 2 4 Сравнение кинематических переменных с результатами моделирования . . 92
4 2 5 Алгоритм вычисления асимметрии 94
4 3 Экспериментальные результаты 98
4 4 Обсуждение результатов 100
4 4 1 Сравнение с другими экспериментальными данными 100
4 4.2 Сравнение с теоретическими моделями 102
* 4 5 Выводы по данной главе 104
Заключение 106
Список литературы 109
Список иллюстраций 117
Список таблиц 123
Приложение А 124
2
I
Введение
Спин по своей сути является квантово-механической характеристикой элементарных частиц и их взаимодействий Чтобы действительно понять структуру нуклонов, необходимо также понять их спиновую структуру, а именно, как составляющие (кварки и глюоны) дают вклад в общий спин нуклона В конце 80-х годов эксперименты по исследованию глубоко-неупругого рассеяния поляризованных лептонов на поляризованных протонах [7,8] обнаружили, что кварки (и антикварки) несут только небольшую часть (< 30%) спина протона Остальная часть обязана спину глюонов и/или орбитальному угловому моменту кварков и глюонов
Рассеяние поляризованных протонов - другой способ посмотреть на спиновую структуру протона Например, в эксперименте Е704 в Фермилабе [9,10) (взаимодействия поляризованных протонного и антипротонного пучков с фиксированной жидко-водородной мишенью) были обнаружены большие значения лево-правой асимметрии в рождении 7г-мезонов при y/s = 20 ГэВ Этот результат был совершенно неожиданным, так как пертурбативная КХД предсказывала абсолютно незначительные значения асимметрии Вскоре после этого появилось несколько теоретических моделей, которые предсказывали ненулевые асимметрии Большинство из них основано на допущении внутреннего поперечного движения партонов в адроне и адронов относительно фрагментирующих партонов Такие ненулевые асимметрии предоставляют важную информацию о корреляциях между спином и другими величинами, такими как аромат кварков и поперечный импульс в волновой функции нуклона В экспериментах на коллайдере RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) используются пучки поляризованных протонов с энергией в системе центра масс 200 ГэВ (в будущем до 500 ГэВ) Впервые поляризованные протонные пучки были получены в накопительных кольцах коллайдера Все предыдущие эксперименты проводились на фиксированных мишенях (поляризованных и неполяризованных), что сильно уменьшало энергию столкновений в системе центра масс Электроны и позитроны в ускорителях могут приобретать значительную поляризацию благодаря эффекту Соколова-Тернова [11), так как эти частицы обладают небольшой массой Протоны, будучи тяжелее электронов в 1836 раз, не могут получить поляризацию из-за синхротронного излучения Поляризованные протоны должны быть подготовлены заранее, затем введены и ускорены в накопительных кольцах
3
Актуальность изучаемых задач
Сегодня экспериментальные исследования с поляризованными частицами ведутся в большинстве центров по физике высоких энергий Поляризованные пучки частиц используются для того, чтобы понять зависимость динамики сильного взаимодействия от спина и внутреннюю спиновую структуру нуклонов В настоящее время нет теоретической модели, которая могла бы полностью объяснить все имеющиеся поляризационные результаты, поэтому любые новые экспериментальные данные способствуют дальнейшему развитию теоретических моделей
Измерения в области фрагментации поляризованной (или неполяризованной) частицы позволяют сделать выбор между существующими теоретическими моделями
Данная работа позволяет ответить на вопрос, волновавший научное сообщество на протяжении последних пятнадцати лет, - сохраняются ли значительные спиновые эффекты при повышении энергии взаимодействующих поляризованных пучков на порядок (от 20 до 200 ГэВ в системе центра масс)7
Цель диссертационной работы
Целыо диссертационной работы является измерение односпиновой асимметрии в инклюзивном рождении нейтральных мезонов в областях фрагментации поляризованного и неполяризованного протона при энергии в системе центра масс y/s = 200 ГэВ в реакции ртр —> тг°Х, сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными и теоретическими моделями В работу вошли измерения, проведенные в сеансах 2002 и 2003 годов на коллайдере поляризованных протонов RHIC (Брукхэвенская Национальная Лаборатория, США) на установке STAR
Научная новизна и практическая ценность работы
При выполнении данной работы были получены следующие новые результаты
• Впервые в мире наблюдены спиновые эффекты на коллайдере поляризованных протонов при энергии в системе центра масс у/$ = 200 ГэВ, которая как минимум на порядок превосходит энергии всех предшествующих измерений в экспериментах с фиксированной мишеныо
• Впервые измерена односпиновая асимметрия тг°-мезонов в реакции р; + р —* тг° + X в области фрагментации поляризованного пучка при = 200 ГэВ Данные результаты позволяют сравнить с проведенными ранее измерениями асимметрии при более низких энергиях в экспериментах с фиксированной мишенью и сделать вывод об энергетической зависимости асимметрии нейтральных пионов
• Впервые измерена односпиновая асимметрия 7г°-мезонов в реакции pj + р —+ л0 + X в области фрагментации неполяризованного пучка
4
В работе представлены результаты измерений асимметрии при двух различных модификациях экспериментальной установки STAR в инклюзивном рождении тг°-мезонов в разных кинематических областях
Следующие результаты имеют практическую ценность-
• Инклюзивное рождение тг°-мезона в области фрагментации поляризованного протона может служить новой реакцией для поляриметрии с установленной экспериментально анализирующей способностью Детекторы, использовавшиеся при измерении асимметрии, можно использовать в качестве локального поляриметра эксперимента STAR
• Разработана программа моделирования развития ливня в калориметре из свинцового стекла Для корректной трассировки черенковского света учтены оптические свойства элементов детектора Анализ результатов, полученных с помощью данной программы, позволил
- свести к минимуму зависимость энергетической шкалы калориметров из свинцового стекла от регистрируемой энергии,
- откалибровать калориметр с высокой точностью,
- разделять близко расположенные электромагнитные ливни и эффективно подавлять адронный фон,
- оценить поперечные утечки энергии за пределы детектора
Защищаемые положения
На защиту выносятся
• Результаты по измерению односпиновой асимметрии Ад? в реакции pj 4- р —* 7г°-НX в области фрагментации поляризованного протона при энергии в системе центра масс y/s = 200 ГэВ
• Результаты по измерению Ац в реакции р^+р —» тг°+Х в области фрагментации неполяризованного протона при энергии в системе центра масс y/s = 200 ГэВ
• Пакет программ для моделирования развития ливня в калориметре из свинцового стекла с учетом оптических свойств элементов детектора
Основные публикации и апробация работы
По результатам выполненных исследований были опубликованы работы в журналах "Physical Review Letters” [lj, "The European Physical Journal” [2] и ’’Ядерная Физика” (3], в трудах сороковой международной конференции ’’Rencontres de Moriond -
QCD and High Energy Hadronic Interactions” [4], в препринте ГНЦ ИФВЭ [5] Результаты также докладывались на международном семинаре SPIN-2005 [6], семинарах спинового сотрудничества RHIC (БНЛ, США).
Апробация диссертации прошла в ГНЦ ИФВЭ 22 марта 2006 г
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения
В первой Главе содержится обзор существующих экспериментальных данных по односпиновой асимметрии и теоретических моделей, в рамках которых можно объяснить ее появление
Во второй Главе дается подробное описание экспериментальных установок, на которых были получены представляемые данные - отдельно для конфигураций сеансов 2002 и 2003 годов. Приведены характеристики поляризованных протонных пучков, мониторов светимости, детекторов, электроники системы сбора данных
В третьей Главе детально описан алгоритм измерения односпиновой асимметрии в реакции pj + р -* тг° + X в области фрагментации поляризованного протона ^ при энергии в системе центра масс y/s = 200 ГэВ в сеансе 2002 года, приведены
экспериментальные результаты с оценкой систематических ошибок Приведено сравнение полученных результатов с данными других экспериментов и предсказаниями теоретических моделей
В четвертой Главе проведено исследование асимметрии 7г°-мезонов в области фрагментации поляризованного протона и области фрагментации неполяризованно-го протона в сеансе 2003 года Подробно описано измерение асимметрии двумя независимыми методами Приведены результаты моделирования черепковского света в веществе, результаты измерения формы электромагнитного ливня в калориметре из свинцового стекла при наличии существенного материала перед детектором Полученные экспериментальные результаты по асимметрии сравнивались с предсказани-| ями теоретических моделей
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы Диссертация содержит 124 страницы, в том числе 70 рисунков и 7 таблиц Библиография включает 128 наименований
6
*
Глава 1
Экспериментальная и теоретическая ситуации с поляризационными эффектами во взаимодействии адронов высокой энергии
Поляризационные исследования являются гораздо более критическим тестом теоретических моделей, чем эксперименты с неполяризованными частицами Интерес к исследованию спиновых явлений в адрон-адронных взаимодействиях связан с возможностью изучения структуры адронов и динамики взаимодействия структурных составляющих адронов - кварков и глюонов, имеющих ненулевой спин
Понятие спина является фундаментальной характеристикой элементарных частиц наравне с ее массой и зарядом Спин - это квантово-механическая величина, не имеющая классического аналога Впервые в 1925 году Паули предположил, что электрон имеет дополнительное квантовое число, которое может принимать только два значения. Позднее Уленбек и Гаудсмит развили это предположение и установили, что эта квантовая характеристика электрона связана с его внутренним угловым моментом, и назвали его спином
Поляризационные исследования на ускорителях начались 50 лет назад Еще в 1954 году в Дубне был получен поляризованный протонный пучок с энергией 565 МэВ и поляризацией 33% (через год поляризация возросла до 58%) [12] При таких малых в наше время энергиях наибольшее значение поляризации возникало при дифракционном рассеянии на ядрах и слабо зависело от энергии [13] Важным шагом в развитии явилось создание продольно поляризованного протонного пучка [14] Уже в 1965 году впервые был использован метод измерения поляризации в области кулон-ядерной интерференции [15], который в настоящее время используется во многих экспериментах для поляриметрии Еще в 1967 году были проведены первые измерения асимметрии образования 7г+-мезонов в протон-протонных столкновениях [16]
До проведения экспериментальных исследований преобладало мнение, что в сильных взаимодействиях можно обойтись и без учета спина частиц Однако экспериментальные результаты существенно повлияли на теоретические представления в физике высоких энергий Ярким примером в этом направлении явилось измерение в
7
конце 60-х годов поляризации нуклона отдачи в реакции квазиупругой перезарядки 7г" —► 7г° + п. При импульсах 2-11 ГэВ/с и малых значениях квадратов передан-
ных импульсов |1| < 0 4 ГэВ/с была обнаружена поляризация нейтронов на уровне «15-20% |17,18]. Последующие эксперименты в ЦЕРН |19] и США (20) подтвердили, что при малых |£| существует заметный эффект поляризации
Полученные результаты резко противоречили теории полюсов Редже, хорошо описывавшей дифференциальные сечения различных процессов и предсказывавшей нулевую поляризацию Данную теорию пришлось существенно усложнить, введя ветвления.
С развитием техники поляризованных мишеней и поляризованных пучков в последние тридцать лет было получено много важных экспериментальных результатов по спиновой физике высоких энергий, среди которых можно отметить следующие.
• наличие значительных величин поляризации (анализирующей способности) в процессах упругого рассеяния, причем энергетический ход поляризации зависит от сорта адрона, поляризация растет с ростом поперечного импульса, достигая величины 20% при р\ « 7 (ГэВ/с)2 и энергии 28 ГэВ, при этом не наблюдается зеркальной симметрии между поляризациями частиц и античастиц [21-27]
• Сильная зависимость углового распределения рр-рассеяния от ориентации спинов в начальном состоянии (аргонский эффект) при энергии 12 ГэВ <МИ)ЛМШ~4[28,29]
• Обнаружение значительной поляризации гиперонов, рожденных в неполяри-зованных адронных процессах [30] Это очень известная загадка, которой уже более 20 лет как неполяризованные в начальном состоянии адроны, предположительно содержащие неполяризованные партоны, могут дать начало поляризованным адронам Наблюдаемая поляризация может легко достигать значений в 20%, тогда как аналогичная наблюдаемая в пертурбативной КХД незначительна
• Обнаружение значительной односпиновой асимметрии при больших переданных импульсах на установке ПРОЗА (Протвино) в эксклюзивных зарядовообменных реакциях тг" +р| —*7г°(7/,с*;,/) + п [31-38]
• Значительные односпиновые асимметрии в инклюзивном образовании пионов при различных энергиях, которые будут подробнее рассмотрены в параграфе 11
• Результаты экспериментов по исследованию глубоко-неупругого рассеяния продольно поляризованных лептонов на продольно поляризованных протонах и нейтронах обнаружили, что спин нуклона не полностью определяется спином кварков [7,8,39-44]
• Значительные азимутальные асимметрии пионов, рожденных в полуинклюзив-ном глубоко-неупругом рассеянии неполяризованных лептонов на поляризованных протонах, 1р\ —> ЫХ В системе центра масс системы ч*Рь количество
8
рожденных пионов зависит от азимутального угла пиона относительно направления 7* [45,46].
1.1 Экспериментальные результаты по исследованию односпиновой асимметрии Ам в адронных столкновениях
В односпиновых экспериментах с инклюзивным рождением одной частицы, используют поперечно поляризованные (или неполяризованные) частицы и сталкивают их с неполяризованными (или поперечно поляризованными) мишенями (или пучками) При этом измеряют инвариантное дифференциальное сечение (или частоту рождения) данного типа частиц, которые регистрируются детектором, расположенным например слева, если смотреть по пучку. Односпиновая асимметрия определяется как
Л /- _ 11Л _ Лгь(*Р,Рг,Л| т) - ^1(хР,рт,Ц 1) м ^
+ (11) Здесь, к относится к рожденной частице (или системе частиц), I) -
плотность частиц к, движущихся перпендикулярно направлению поляризации налетающего адрона и попадающих в детектор, когда поляризации направлена вверх, ДОь(хр,рг,А| I) " соответствующая плотность таких частиц к при обратной поляризации налетающих адронов (вниз), индекс Ь означает, что детектор расположен слева, если смотреть по пучку х? = - Фейнмановская переменная, р/, - продоль-
ная составляющая импульса частицы к в системе центра масс, ^/3 - полная энергия сталкивающихся адронов в системе центра масс и рт - поперечная составляющая импульса к Так как ^ь(хр,РтМ 1) = Агя(яг>Рг>й| Т), определение (1 1) можно переписать в виде
, ^^Хр,РтЛ\})~ ^п{хЕ,РтМ\)
Ыхр'Рт1Н) = (12)
По этой причине, такую асимметрию часто называют лево-правой асимметрией Очевидно, что статистика была бы очень бедной, если бы измерялись только потоки вторичных частиц, двигающихся перпендикулярно направлению поляризации (точно налево или точно направо) На практике же, используют частицы, рожденные под разными поперечными углами, так как справедливо следующее соотношение
. 1 Ь'(х[?,рт,ф,Ц Т) - К{хР,рт,1г - ф,Ц Т) .
Щхр,ртЩ) смфщХр>рт,ф,Ц]) + Щхг,рт,п-ф,11\1У ^
где ф эго азимутальный угол между нормалью к плоскости реакции и направлением
поляризации сталкивающегося адрона Уравнение (1.3) является прямым следствием пространственного квантования в реакциях частиц со спином ^
Нужно отметить, что Лдг является единственной сохраняющей пространственную четность асимметрией в односпиновых одночастичных инклюзивных процессах Легче всего это представить в системе покоя поляризованного сталкивающегося адрона
9
- Київ+380960830922