Поиск и исследование барионных состояний с двойной и скрытой странностью в π - p-взаимодействиях при 16 ГэВ/с

Содержание
Введение
1 Методика обработки экспериментального материала двухметровой водородной пузырьковой камеры CERN
1.1 Отбор событий, измерения...............................
1.2 Геометрическая реконструкция событий...................
1.3 Идентификация нейтральных странных частиц .............
1.4 Идентификация каналов реакций..........................
1.5 Основные результаты ...................................
2 Оценка сечений каналов реакций и образования резо нансов
2.1 Поправки при оценке сечений процессов с наблюдаемыми распадами нейтральных странных частиц......................
2.2 Сечения каналов реакций................................
2.3 Способы построения фоновых распределений для выделения резонансов.............................................
2.4 Сечения образования известных резонансов...............
2.5 Основные результаты ...................................
3 Исследование процессов с образованием Е-гиперонов
3.1 Краткий обзор экспериментальных данных по образованию Е гиперонов в 7г“р-взаимодействиях.........................
- з -
_ .—
3.2 Поиск событий с образованием и распадом лГ, Е -частиц 57
3.3 Сечения образования Е~, Е+ -частиц....................... 58
3.4 Импульсные и угловые характеристики Е_, Е* -частиц . . 64
3.5 Каналы реакций с образованием Е_, Е+..................... 67
3.6 Наблюдение и анализ события с образованием и распадом Е°-гиперона.................................................... 71
3.7 Результаты исследования.................................. 76
4 Исследование барионных резонансных состояний с двойной и скрытой странностью 79
4.1 Обзор барионных резонансов, обогащённых я, 5 или 5,3? -кварками...................................................... 79
4.2 Поиск барионных резонансов с .9,5 и .9,5 -кварками, обнаружение узкой резонансной бариониой структуры N(3520) 98
4.3 Анализ спектра эффективных масс К®К*ріг~іг~ и структуры N(3520).................................................. 104
4.4 Анализ кинематики образования и распада N(3520), оценка параметров состояния....................................... 108
4.5 Развитие нового подхода к поиску резонансных состояний 113
4.6 Особенности барионного состояния Лг(3520), способы их выявления..................................................... 115
4.7 Выделение процессов с образованием N(3520), проверка возможных кинематических отражений............................ 124
4.8 Возможная интерпретация состояния N(3520)................. 133
Заключение 136
Литература
142
-4-
Введение
В диссертации исследуется образование в тг'р-взаимодействиях при 16 ГэВ/с барионных состояний, обогащённых .9,-9 или .9,1 -кварками.
Большинство сведений об образовании и свойствах квазистабильных бариопов с двойной отрицательной странностью - Н-гиперонов с I = 1/2 и временем жизни ~ КГ10, входящих согласно 5£/(3)-симметрии в ба-рионный октет с Jp — 1/2+, было получено в Ктр, рр> адрон-ядерных взаимодействиях и гииеронных пучках. В этих же процессах было установлено существование ряда барионных резонаиспых состояний с двойной странностью, распадающихся по каналам Етг, Е К, А К,... [1].
Мировая статистика экспериментальных данных для редких в пион-нуклонных взаимодействиях процессов с образованием ЗЕ-гиперонов относительно ограничена. Поэтому механизм таких реакций, как пр —► ЕКК + т • 7г (т > 0), с большим обогащением вторичных частиц странными кварками в 7гр-взаимодействиях экспериментально недостаточно изучен. Не выяснено, как образуются в этих реакциях Е-гипероны, - прямым образованием, или существенная часть наблюдаемых в 7ф-взаимодей-ствиях барионов с двойной странностью является продуктами распада резонансов (например, Е(2030) —* ЕК [1] или более массивных барионных резонансных состояний в системах ЕКК с суммарной странностью нуль). В качестве аналога можно привести наблюдение в 7г"р-взаимодействиях при 22 ГэВ реакций с образованием четырёх странных мезонов, являющихся продуктами распада надёжно установленного мезона /2(2300) —>
- 5 -
фф -> К+К-К+К- [1].
В настоящее время известно несколько нестранных широких барион-ных jV-резонансов с I = 1/2, среди каналов распада которых есть каналы распада на странные частицы, зарегистрированные в основном при прецизионных исследованиях реакций 7ГN —* АК, nN —► ЕЛ' [1].
В теоретических работах (см. обзор [2]), кроме широких /V-резо-нансов, предсказывалась возможность существования узких пятикварковых резонансных барионных состояний, обогащённых 5,5-кварками. Теоретические предсказания инициировали экспериментальный поиск процессов с образованием экзотических барионных состояний.
В нуклон-ядерных взаимодействиях [З-б] изучались дифракционные процессы с возможным образованием экзотических барионных Л'-резопан-сов со скрытой странностью в предположении померонного обмена (согласно теоретическими представлениями померон является мультиглюоыной системой [7-10]). Были получены статистически значимые указания па существование относительно узких (с шириной - десятки МэВ/с2) возможных барионных резонансов А^(1960) —> Е(1385)”ЙГ+ (установка БИС, ОИЯИ [3, 4]), *(2050) -> Е(1385)°Л+, *(2000) -> Е°ЛГ+ (установка СФИНКС, ИФВЭ [5, 6]). Выяснение природы этих структур, наблюдаемых в разных экспериментах, требует дополнительных исследований.
В настоящее время на Теватроне FNAL в пучке Е~-гиперонов с энергией 600 ГэВ в эксперименте на установке SELEX изучается дифракционная реакция Е_ -f N(A) —* %~К+К~ -Ь N(A). В спектре эффективных масс E”/v+ проявляется пике М = 1962±12, Г = 96±32 МэВ/с2, проводится его анализ [11].
Во многих физических центрах (см., например, [11]) обсуждается программа исследований возможных процессов с образованием экзотических адронов, в том числе - процессов фоторождения в экспериментах на уско-
- 6 -
рителе СЕВАР и на других сильноточных электронных ускорителях.
Одним из перспективных направлений поиска экзотических барион-ных состояний со скрытой странностью может оказаться исследование малоизученных адронных взаимодействий (в частности, я “р-взаимодействий) с большими четырёхмерными переданными импульсами (1 > М^). Образование узких многокварковых и гибридных состояний в подобных процессах, обусловленных барионным обменом, предсказывалось в ряде теоретических работ, например [12-14]. Это связывают с более эффективным возбуждением внутренних цветовых степеней свободы в указанных процессах, при котором могут формироваться экзотические кварковые или кварк-глюонные системы.
Экспериментальное решение вопроса о существовании экзотических адронов (в частности, узких барионных состояний со скрытой странностью), выяснение их внутренней структуры, характера процессов с их образованием имеют принципиальное значение для основных представлений о природе адронной материи, для развития квантовой хромодииамики и концепции конфайнмента, для современных моделей строения адронов.
Ограниченность экспериментальных данных в 7г“р-взаимодействиях о квазистабильных и резонансных барионных состояниях с двойной странностью, предполагаемая возможность поиска экзотических барионных состояний со скрытой странностью, исследования их характеристик, сравнения с характеристиками известных барионных состояний инициировали наши работы в 7г“р-взаимодействиях при 16 ГэВ/с.
Качество результатов этих работ во многом зависело от надёжности идентификации вторичных частиц - продуктов распада квазистабильных и резонансных состояний, от развития нового подхода к поиску резонансных состояний, позволяющего на ограниченной статистике отличать физический эффект от статистической флуктуации в спектре эффективных масс.
- 7-
Развитие новых методов анализа для выяснения природы пиков в спектрах эффективных масс исследуемых систем частиц актуально для многих экспериментальных работ.
Цель работы заключалась в поиске и исследовании барионнъгх состояний с 5,5 и 5,5 -кварками в 7г~р-взаимодействиях при 16 ГэВ/с, в развитии нового подхода к поиску резонансных состояний, позволяющего на ограниченной статистике отличать физический эффект от статистической флуктуации в спектре эффективных масс.
В первой главе показаны основные этапы методики обработки экспериментальных данных со стереофотоснимков, полученных при экспозиции двухметровой водородной пузырьковой камеры CERN в пучке 7г--мезонов с импульсом 16 ГэВ/с [15-21). Приведено описание критериев отбора событий со странными частицами, измерений и геометрической реконструкции отобранных событий. Описана настройка системы программ разработанных в ОИЯИ) для обработки фильмовой информации, обеспечивающая соответствие результатов измерений конструктивным особенностям камеры и условиям эксперимента. Показана методика и результаты идентификации нейтральных странных частиц и каналов реакций в сравнении с результатами других экспериментальных работ.
Во второй главе показана процедура вычисления сечений процессов с образованием нейтральных странных частиц в 7г~р-взаимодействиях при 16 ГэВ/с [22-27]. Проведено сравнение значений сечений каналов реакций со значениями, полученными в других экспериментах при близких энергиях первичных тг—-мезонов. Рассмотрены способы построения фоновых распределений в спектрах эффективных масс для выделения резонансных состояний частиц и оценки их параметров. Проведено сравнение фоновых распределений, полученных различными способами.
В третьей главе представлены результаты поиска и исследования процессов с образованием и наблюдаемыми распадами ЕЕ"', E_t", Е° -гиие-
- 8 -
ронов в тг“/;-взаимодсйствиях при 16 ГэВ/с [28, 29]. Приведена процедура вычисления сечений. Показаны инклюзивные и эксклюзивные характеристики процессов с образованием Е“-частиц. Сделано сравнение полученных значений полного сечения и параметра угловой асимметрии для Е“ с данными других экспериментов, выполненных в 7г”р-взаимодействиях при различных энергиях.
В четвёртой главе приведен сделанный автором обзор бариоппых резонансов, обогащённых 5, 5 или 5, 5 -кварками; рассмотрены теоретические и экспериментальные указания на возможное образование экзотических барионных состояний в различных процессах.
Представлены результаты поиска барионных резонансных состояний с двойной и скрытой странностью в 7г_;>взаимодействиях при 16 ГэВ/с [30-33]. Показаны обнаружение неизвестного ранее аномально-узкого 6а-рионного состояния Лг(3520) —> К*К*рп~п~ и анализ кинематики процессов, связанных с его образованием и распадом.
Сделано обоснование нового подхода к поиску резонапсных состояний, позволяющего в ряде случаев на ограниченной статистике отличать физический эффект от статистической флуктуации в спектре эффективных масс. В соответствии с этим подходом найдены особенности образования и распада состояния Л”(3520). Выделены процессы с образованием состояния Лг(3520), сделана оценка его параметров, проверена возможность кинематических отражений известных физических эффектов, предложена возможпая интерпретация обнаруженного состояния.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации. Дополнительно в связи с полученными результатами обсуждается возможное продолжение исследований экзотических адронных состояний в других экспериментах.
Результаты исследований, составивших диссертацию, докладывались
-9-
на научных семинарах ЛВЭ, ЛТФ, ЛВТА ОИЯИ, ИТЭФ, Института Атомной Физики в Бухаресте (1973-2001), на сессии Отделения ядерной физики АН СССР (1988), на конференции по адронной спектроскопии (College Park, USA, 1991), на международном семинаре по проблемам физики высоких энергий (Дубна, 2000).
По материалам диссертации опубликовано 19 работ в виде статей в реферируемых журналах ’’Ядерная Физика”, ’’Revue Roumaine de Physique”, ’’Zeitschrift fur Physik”, ’’Nuclear Physics ”, ’’Physics Letters”, а также в виде сообщений ОИЯИ и депонированных публикаций с изложением методических результатов [15-33].
Полученные результаты по образованию Н-гиперонов в тг~р-взаимо-действиях при 16 ГэВ/с вошли в сборник ’’COMPILATION OF CROSS-SECTIONS I: 7г+ AND тг- INDUCED REACTIONS” (издание CERN) [34]. Ссылки на результаты поиска барионных резонансов с двойной и скрытой странностью приведены в сборниках ”А GUIDE ТО EXPERIMENTAL PARTICLE PHYSICS LITERATURE” (издания Berkeley National Laboratory) [34]. Данные по обнаружению барионного состояния yV(3520) (возможного пятикваркового состояния) были отмечены в ’’REVIEW OF PARTICLE PHYSICS” [34].
- 10 -
Глава 1
Методика обработки экспериментального материала с двухметровой водородной пузырьковой камеры CERN
1.1 Отбор событий, измерения
Экспериментальный материал (~125000 стереофотоснимков) был получен при трёх экспозициях двухметровой водородной пузырьковой камеры CERN в сепарированном цучке 7г“-мезонов при импульсах 15850, 1G275, 16295 ±160 МэВ/с, соответственно [35]. Весь объём камеры, помещённой в постоянное магнитное поле 17,4 кге, фотографировался стереофотоаппаратом с четырьмя объективами (рис. 1).
Просмотр стереофотоснимков и заполнение просмотровых листов проводились в соответствии с правилами CERN [15, 36]. Просмотр (направленный на поиск реакций с образованием /1°, Л, £, Е -частиц) проводился дважды: на просмотровых столах в ОИЯИ и в Институте Атомной Физики (Бухарест). При первом просмотре использовались стереопроекции 1 и 2, при повторном - стереопроекции 1 и 3 (рис. 1). Отбирались события с предполагаемыми И0, V± -распадами, треки частиц нумеровались для измерений. Для каждого найденного события визуально оценивалась ионизация на треках по плотности пузырьков - dN/dL, где N -
- 11 -
число пузырьков на рассматриваемом треке, Ь - его длина (чем больше ионизирующая способность частицы, тем больше плотность пузырьков). Иопизация пучковых треков была взята за минимум. За относительную ионизацию принималось отношение плотности пузырьков на рассматриваемом треке к плотности пузырьков одного из близлежащих пучковых треков.
ПУЧОК
Рис. 1. Эффективная область и сетка двухметровой водородной пузырьковой камеры CERN (вид сверху). • - приблизительное месторасположение объективов, 0 - измерявшиеся реперные кресты на нижней поверхности верхнего стекла.
При просмотре фотоснимков использовались следующие критерии отбора событий [15]:
1) Отбирались события, образованные только пучковой частицей с точкой взаимодействия в эффективной области, границы которой определялись
- 12 -
с запасом на просмотровом столе. Эффективная область камеры и положение сетки, привязанной к реперным крестам, показаны на рис.1. За пучковый трек принимался трек, образующий с осью пучка угол <1°.
2) Отбирались события всех множественностей заряженных вторичных частиц, ассоциированные с V'0, У± -распадами. Для измерений принимались 1/0 -распады, сумма длин треков у которых больше, чем 15 см, и Р±-распады, у которых сумма длины 1/:к-трека и длины трека его вторичной частицы также больше 15 см.
3) События с нечётным числом треков заряженных вторичных частиц (главной причиной этого является присутствие протонов с импульсом меньше 50 МэВ/с) не измерялись.
4) Отмечались события с парами Далитца.
Эффективность е и среднеквадратичная ошибка эффективности двойного просмотра а€ определялись стандартным способом [37]:
е = £1+е2-е1-г2, 0-е = \/[(1 - е2) • СГс,]2 + [(1 - <ч) • <Г£г]2 (1.1.1)
Эффективность просмотра фотоснимков при отборе событий с нейтральными странными частицами составила: для 0-лучевых событий
(9б,б±2,5)%, для 2-лучевых событий (97,6±0,6)%, для событий более высоких множественностей (99,2±0,2)%. Эффективность просмотра при отборе событий с Е", Е+ -частицами составила: для 2-лучевых событий (96,2±0,2)%, для событий других множественностей (99,0±0,1)%.
Отобранные события измерялись на полуавтоматах ПУОС [38]. Для измерений использовались все четыре проекции. Реперные кресты измерялись на всех проекциях в установленном порядке. Измерение каждого пронумерованного трека проводилось на двух проекциях, выбранных при просмотре, с равномерным расположением измеренных точек на треке. Треки с признаком остановки измерялись до последней точки.
После измерений события обрабатывались на ЭВМ по системе про-