Содержание диссертации «Измерение дифференциальных сечений процесса перезарядки л~р—>71°п вперед с помощью нового спектрометра нейтральных
мезонов»: Глава. 1. Пион-нуклонное рассеяние Стр. 4
П. 1.1. Физика пион-нуклонного рассеяния 4
П. 1.2. Характеристики я°-мезона 6
П. 1.3. Современная ситуация 6
П. 1.4. Актуальность и цель работы 9
Глава. 2. Описание установки 12
П. 2.1. я-канал синхроциклотрона ПИЯФ 12
П. 2.2. Жидковолородная мишень 14
П. 2.3. Спектрометр нейтральных мезонов 19
П. 2.3.1. Конструкция спектрометра 19
П. 2.3.2. Конструкция отдельного элемента 22
П. 2.3.3. Конструкция ИВЫ 25
П. 2.4. Система пластических сцинтилляционных счетчиков 26
П. 2.5. Триггер и система сбора информации 27
П. 2.5.1. Сигналы 27
П. 2.5.2. CFD-техника дискриминирована сигналов 29
П. 2.5.3. Триггер 30
П. 2.5.4. Система сбора информации 32
П. 2.5.4.1 Триггерные логические модули 32
П. 2.5.4.2. Генератор ворот 33
П. 2.5.4.3. Преобразователи заряд-код и время-кол 33
П. 2.5.4.4. Счетчик мониторного числа 35
Глава. 3. Изучение характеристик спектрометра нейтральных 36
мезонов
П. 3.1. Калибровочные эксперименты на электронных пучках 36
П.3.1.1. Черепковский счетчик 36
П. 3.1.2. Эксперимент на электронах и на космических мюонах 37
П. 3.2. Эксперименты по локализации 41
П. 3.3. Энергетические характеристики 44
П. 3.4. Временные характеристики 47
П. 3.5. Энергетический порог 49
П. 3.6. Трипер и мертвое время 51
Глава. 4. Постановка эксперимента 53
П. 4.1. Схема установки 53
П. 4.2. Проведение эксперимента 56
П. 4.3. Запись информации на лиск компьютера 58
Глава. 5. Обработка и обсуждение 63
П. 5.1. Вычисление калибровочных коэффициентов 63
П. 5.2. Восстановление инвариантной и недостающей массы 65
П. 5.3. Распределение событий по углу 69
П. 5.4. 1 Ірограмма автоматической обработки данных 71
П. 5.5. Вычисление аксептапсов 73
-3 -
*
П. 5.6. PCS в интервале (0,98-1,00) no cos 0™ 77
П. 5.7. DCS перезарядки в диапазоне импульсов от 417 МэВ/с до 83
710 МэВ/
П. 5.8. Обсуждение полученных результатов 85
П. 5.8.1. Изоспиновыс ограничения 86
Заключение 89
Благодарности 91
Приложение „\«1 92
Приложение №2 93
Приложение №3 100
11риложснис №4 103
Список литературы 113
*
*
Глава 1. Пион-нуклонное рассеяние
1.1. Физика пион-нуклонного рассеяния
В 1935 г. японским физиком X. Юкавой была выдвинута гипотеза, что взаимодействие нуклонов в ядре осуществляется таким же образом, как и взаимодействие зарядов, т.с. через кванты поля. В электродинамике таким квантом является фотон. Квантами ядерного поля должны быть три частицы: положительно и отрицательно заряженные - для осуществления обменного взаимодействия между протоном и нейтроном и нейтральные кванты поля - для осуществления взаимодействия между одинаковыми нуклонами [1—4].
В 1947 г. в фотоэмульсиях, облученных на большой высоте космическими лучами, С. Пауэллом с сотрудниками (Великобритания) были открыты заряженные частицы, которые были названы 7Г-мезонами, или кратко пионами [3,5]. Причем оказалось, что они имеют заряд как плюс, так и минус. В частности, я’-мезоны из-за большой плотности вещества эмульсин не успевали распасться, гораздо быстрее они успевали прореагировать с ядром. Поэтому треки яГ-мезонов заканчиваются так называемыми звездами - треками протонов, вылетевших из ядра, которое имеет большую энергию возбуждения после захвата пноиа. л*-мезоиы практически не захватываются ядрами из-за того, что кулоновскис силы не позволяют им близко приблизиться к ядрам.
Нейтральные пионы, Л°, были обнаружены в 1950 г. по у-квантам от их распада, так как распад нейтральных пионов осуществляется за счет электромагнитного взаимодействия 71°—»у+у. При изучении процессов 71 р —> л°п, 71+р —> л+р, тг р —>71~р было найдено, что при энергии пионов, примерно равной 195 МэВ, наблюдается максимум на кривой сечения реакции. Впервые эти эксперименты были поставлены
Э.Фсрми в 1952 г. в Чикагском университете [3,6]. Ускоритель, который использовался в этих опытах, мог давать пионы с энергией более 200 МэВ. Позже, когда были запущены ускорители на большие энергии, сечение взаимодействия пионов с нуклонами было изучено до очень больших энергий (рис. 1.1). Как видно из рисунка, на кривых обнаруживаются максимумы 1, 2, 3, 4, которые являются проявлениями Д(1232)Р„, Д(1600)Р„, Д(1620)бм, Д(1910)Р3„ Ы(1440)Р„, N(1520)1),,, N(1535)6,, -
резонансов в системе пион-нуклон (ттИ). В скобках указана масса резонанса. Д -резонанс имеет изоспин 3/2, а N - резонанс имеет изоспин 1/2.
Параметры резонансов (массы, ширины и нсупругости) определяются на основе фазового анализа экспериментальных данных для трех процессов: реакции упругого рассеяния Л*р-расссяния и рассеяния с перезарядкой:
л+р->л4р, л~р->л"р, л"р—>л°п.
Эти процессы могут быть описаны дву,мя амплитудами А*,д(3/2) и А*1Ч(1/2), зависящими от утла, под которым рассеялся мезон с полным изоспином Л N-системы Т=3/2 и Т=1/2, соответственно. Так что
Дк*р-*ж+р = Ах\(3/2),
Аж-р-*я-р = 1/ЗАЯм(3/2) + 2/ЗА^(1/2),
А..р^,.0 = Л/3 (А,„(3/2)- А.к(1 /2)).
Исследование упругого пион-иуклонного рассеяния [7], которое привело к обнаружению пион-иуклонных резонансов, послужило основой для развития модели кварков. В настоящее время существует несколько кварковых моделей, которые предсказывают различные спектры пион-нуклонных резонансов и их характеристики:
массы, ширины, неупругости. Как уже упоминалось, экспериментальная информация о параметрах резонансов извлекается из результатов фазовых анализов данных но лр-расссянию. Олнако, в то время как упругое л±р-расссяние изучено в области до Т*«650 МэВ достаточно подробно, хорошие данные о процессах я~р —> п п, я”р —» Л°л°п практически отсутствуют. Имеющаяся же информация достаточно противоречива. Подобная ситуация объясняется большими методическими трудностями в исследовании л~р взаимодействия с нейтральными частицами в конечном состоянии.
1.2. Характеристики я°-мезона
Прямое измерение параметров нейтрального мезона, рождающегося в ходе реакций, затруднительно, т.к. я°-мезоны имеют время жизни в состоянии покоя 8,4x10',7с. и вероятность распада на два у-кванта 98,8% [8]. Полные характеристики нейтральных мезонов приводятся в ежегодном выпуске Review of Particle Physics. В табл. 1.1. представлены характеристики 7С°-мезона.
Таблица 1.1. Характеристики л°-мезона
ГО"*
Масса л°-мсзоиа, МэВ 134,9976±0,0006
масса л -мезона - масса л°-мсзона, МэВ 4,5936±0,0005
Время жизни л°-мезона, 1017с. 8,4±0,6
Вероятность распада на 2у, % 98,798±0,032
Вероятность распада на с+е~у, % 1,198±0,032
Остальные моды распада, % < 0,013
1.3. Современная ситуация
В течение последних нескольких лет изучение лЫ-расссяння сделало качественно новый шаг. Интенсивные экспериментальные исследования были продолжены на всех мезонных фабриках (PSI, LAMPF, TRIUMF) и ускорителях ПИЯФ, ИТЭФ, КЕК, на которых были получены новые точные и систематические
экспериментальные данные. Спектр яЫ-резонансов может быть получен из этих данных с использованием процедуры фазового анализа [9,30]. На данный момент известны несколько фазовых анализов, выполненных в Карлсруэ-Хельсинки (КН-80)[10], Петербургском институте ядернон физики (PNPI-95)[11] и Вирждииском политехническом институте (SM-02)[12]. С другой стороны, существует несколько теоретических работ по кварковой структуре материи, описывающих спектр яЫ-резонансов и предсказывающих их параметры. Сравнение теоретически вычисленных спектров и параметров TiN-рсзонансов с экспериментально полученными на основе фазового анализа позволит сделать выбор более правильной теоретической модели.
Петербургский институт ядерной физики внес существенный вклад в современную базу данных по яЫ-рассеянию в области низколежащих яИ-резонансов. Упругое я±р-рассеяние рассеяние изучено в диапазоне энергий 300 - 650 МэВ с использованием я-мезонного канала синхроциклотрона ПИЯФ. Около 450 экспериментальных точек получено в результате этих исследований, которые включают в себя значения дифференциального сечения (DCS) и поляризационных параметров Р, A, R. На основе этих данных был проведен новый фазовый анализ PNPI-95 [И].
На данный момент точность в определении характеристик яЫ-резонаисов ограничена, в основном, недостатком точных данных по я~р-рассеянию с перезарядкой (я“р—>я°п). Д\я улучшения ситуации и устранения недостатка в базе данных необходимо провести измерение DCS реакции я~р—»я°п.
На рис. 1.2. приведены опубликованные данные по дифференциальным сечениям я+р, я"р - упругого рассеяния и рассеяния с перезарядкой я”р-»я°п. По оси абсцисс отложен угол рассеяния в системе центра масс, а по оси ординат -— кинетическая энергия пионов. Каждый из экспериментальных результатов отмечен своим цветом и имеет с правой стороны рисунков специальное название (более подробную информацию о базе экспериментальных данных можно найти в интернете по адресу: http://gwdac.phys.gwu.edu/analysis/pin_analysis.hlnil). Из
рисунков видно, что в области углов 0° - 30° экспериментальных данных практически нет. Поэтому предсказания фазовых анализов (рис. 1.3.) различаются и требуют экспериментальной проверки.
В то же время опубликованные 25-30 лет назад результаты противоречивы (рис.
-8-
ал
« ж а» • в - л. О о Ож о О О Ж ж ж
<Л %оо# о а О «Ж« ЩЮ* ж ж
«а а * ОЖОЖОО о о о о о о о
о ^ -Л *> Л о 0*0 6 О* • •
Ж ЖЖ ж о ж ж ж ж •
О 0-0 • о оооооо о 0
•л • ж о Ж Ж ж о •
о о ж О ОООООО
# ООО »9 о ох вс о о о*> «ож «ж о в->с-^> о» ж
Р1+Р овс
и; с^им
«■со/мГ
в-КО!»?!
М I г о -6Л|!17|
144 V ■■
о-М1|*И
О -А1 Цг*1 IV I
•йЯ'Г'
-ХМУ
о -ВО|Г2|
17744«*
и -Н Пг»«|
в О <Ро <Л о <Л> о во о о'Ъ # о 1
• »»»•»»«••»V»«'»«» О О о ао о о ооооооооо
О в в9^0^9^998,? ^ 9
о • о о ооооооооо
О О О О О О ООО ООО о о о о о
К1М» кШШИИ И^ИМЧИПОК 02 ЮС.» Ч С АК\Р1 ;
М»п/Млх- О ОО/ 226.66
в<*М«8>
кие» К*1П 9Н1М1 |1ЧР| 50*-и ПС*. «С 10СС\.С Л11**|71 :во
\1 т/М ШХт 0.00/ 132-95
>
О
о о о о оооооо о о о о о о о •№
.4.о4.о.*..г.л о Щ
^ о • • •• о#оооо о • ♦ ^9
0£ О ОО0ООС|С Ов > О Ь • Мй
0 0009000000000« о о «в
СХЯ ОБв
20 К»И 0*1
1-211601 из/ ••
•■К)!?1
0 •#« А| Т • I о Л. А1Ы1
о -с>а?*|
°11ЙЙР
•да к* -ту?1
о_«|е8>
• .*«'»7“. 11па<«г.^п11«*о|- .и«; ч»с\. М1п/Мах- 0.004 5.30
п-рцчс;
-и 1.|МОМ
•яй»'"
• :£Л№>
Ж« V Ш
» -М|1»1|
»ж ■
О с.()|»1|
о-СК17Л|
VI УМ
•«К1
о -0117*1
°-<;К1о||
о -ни»II
М4' >1
“ЗЛКЭ
-\voloi I
Рис. 1.2. Банк данных но дифференциальным сечениям упругого лГр-рассеяния и рассеяния с
перезарядкой.
си
о
X
ю
%
а
-о
О
-о
400
500 600
Импульс 7Т-мезонов, МэВ/с
700
Рис. 1.3. 11 реле капания фазовых анализов для дифференциального сечения перезарядки под нулем градусов: синяя линия - КН-80 [10], красная линия - БМ-02 [12), черная линия - РЫР1-95 [11|.
-9-
Импульс я" мезонов, МэВ/с
Рис. 1.4. Экспериментальные ,uiihmc по дифференциальному сечению перезарядки под нулем градусов: ▼- [13], ♦ - [14], ■ - [15], А - [16], - [17]. Предсказан»« фазовых анализов: штриховая
линия - КН-80 [10], сплошная линия- SM-02 [12J.
1.5. Актуальность и цель работы
Измерение дифференциальных сечений яЫ-рассеяния с перезарядкой является частью общей программы "Спектроскопия нестранных барноноп на пучках Я-мезонов в области низколежащих яЫ-рсзонансов"[18], которая осуществляется в Лаборатории мезонной физики ПИЯФ начиная с 1970 гола.
Последние гады характеризуются всплеском интереса к проблемам спектроскопии нестранных бариоиов (барионных резонансов). Это обусловлено развитием все новых теоретических моделей, предсказывающих количество барионных резонансов и их характеристики - массы, ширины, моды распада. И, как правило, число предсказываемых кварковыми моделями резонансов гораздо больше, чем найдено из экспериментальных данных. В научной литературе лаже появился термин "недостающие резонансы" (missing resonances), обозначающий резонансы, полученные в теоретических моделях, но не обнаруженные при анализе
- Київ+380960830922