Оглавление
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава Ь ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСКАЗАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОИСК УЗКИХ ДИБАРИОНОВ 8
1. Основные теоретические предсказания 8
1.1 Первые модели узких дибарионных состояний 8
1.2 Дибарионы, распад которых на два нуклона подавлен 9
1.3 Образование и распад сверхузких дибарионов 10
2. Указания на узкие дибарионы и их опровержение 13
2.1 Обнаружение указаний на узкие дибарионы и их достоверность 13
2.2 Ненаблюдения узких структур и возможные их причины 20
Глава И. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 22
1. Кинематика реакций упругого /^/-рассеяния
и реакций с рождением дибарионов 23
2. Пучок протонов Линейного ускорителя ИЯИ РАН 30
3. Геометрия установки и основное оборудование 32
4. Электроника и программное обеспечение
для накопления информации 36
5. Испытание на пучке и отбор данных 42
6. Калибровка 51
7. Факторы, влияющие на разрешение установки 54
Глава Ш. ЭКСПЕРИШНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА 6-ТИ КВАРКОВЫХ СОСТОЯНИЙ 55
1.’ Обработка экспериментальных спектров 62
Глава IV. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И РАСПАДА ИЗУЧАЕМЫХ УЗКИХ СОСТОЯНИЙ 69
1. Ожидаемые сечения и ширины рождения сверхузких дибарионов 69
2. Расчеты выходов и распределений частиц от распада дибарионов с различными квантовыми числами в условиях эксперимента 73
2.1 Краткое описание алгоритма расчетов 73
2.2 Расчеты для распада двухнуклонных связанных состояний 74
2
2.3 Расчеты для распада сверхузкого дибариона с массой 1905 МэВ/с2 76
2.4 Расчеты для распада сверхузкого дибариона с массой 1924 МэВ/с2 86
Глава V. ОБСУЖДЕНИЕ НАБЛЮДАЕМЫХ СОСТОЯНИЙ В РАМКАХ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ПРЕДСКАЗАНИЯ 88
1. Состояние с массой 1905 МэВ/с2 88
2. Состояние с массой 1924 МэВ/с2 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 92
ЛИТЕРАТУРА 94
3
Введение.
Как известно, адроны состоят из кварков, взаимодействующих посредством глюонов. В соответствии с современными представлениями КХД невозможно выделить отдельные кварки из адронов из-за принципа ядерного конфайнмента. Однако можно исследовать кварковую струюуру ядерных частиц и поведение кварков внутри них не только в области предельно высоких, но и при промежуточных энергиях. Открытие класса шестикварковых объектов микромира - дибариопов, наряду с известными классами мезонов - двухкварковых объектов и барионов, составленных из трех кварков, позволило бы найти новый вид ядерной материи и получить важные ограничения на модели квантовой хромодинамики. Эти частицы, например, играли бы важную роль при адронизации кварк-глюонной плазмы с большой барионной плотностью и могли бы давать существенный вклад в виде Бозе - конденсата в вещество нейтронных звезд. В многочисленных экспериментах пытались обнаружить шестикварковые состояния, предсказываемые различными моделями, но до сих пор единственным представителем класса с барионным числом В = 2 остается дейтрон.
Такие объекты микромира могут проявляться в виде особенностей в энергетической зависимости сечений, а также в зависимостях дифференциального сечения, анализирующей способности, тензорной поляризации от недостающей и инвариантной массы. Идентификация таких состояний взаимосвязана с их временем жизни, а значит и с их шириной. Ширина дибарионных состояний зависит от их квантовых чисел и массы. Дибарионы, распадающиеся на два нуклона, характеризуются малым временем жизни, и следовательно большой шириной ~ 10 ч-100 МэВ/с2 и их проявления трудно отличить от пороговых и других ядерных явлений.
С другой стороны могут существовать дибарионы, распад которых на два нуклона подавлен вследствие их специфических квантовых чисел. Такие объекты могут распадаться по каналу NN71 либо по каналам электромагнитного и слабого взаимодействия. -
Если дибарионы с таким набором квантовых чисел имеет массу ниже 2014 МэВ/с2, то их распад в NN71 канал становится запрещенным и эти состояния будут иметь чрезвычайно узкую ширину. Два типа дибарионов с изотопическим спином Т~2 (с Т/=+2 и Тз=-2) могут распадаться только по каналу слабого взаимодействия. Однако в эксперименте они не были обнаружены.
Три других типа дибарионов с изоспином 7=2 (с Т3=+\, Тз=0 и 7j=-l) будут преимущественно распадаться электромагнитным способом. Дибарионы с изоспином Т-0 и Г=1, для которых распад на два нуклона подавлен из принципа Паули, будут распадаться также преимущественно по каналу электромагнитного взаимодействия. Мы ограничимся исследованием такого типа дибарионов с Т= 0 и 7=1. Их ширины £ 1 кэВ/с2 и поэтому мы будем их называть Сиерхузкими дибарионами {СУД).
Целью данной работы является поиск и исследование событий рождения СУД в реакции
р + d —>pi+X
С этой целью были выполнены измерения эффективного сечения этой реакции как функции недостающей массы, регистрируя в совпадении протон спекгатор рг и вторую заряженную частицу из последующих распадов
X—>p2+Xi иX—^d+Xj.
Здесь символы Xt и Х2 обозначают частицы, не детектируемые в эксперименте.
Эксперименты осуществлены с помощью двухплечевого спектрометра TAMS,
размещенного на Линейном ускорителе протонбв ИЛИ РАН. Данная реакция изучалась при энергии 305 МэВ для различных углов вылета протона спекгатора и второй заряженной частицы в интервале недостающих масс от 1876 МэВ/c2 до 1935 МэВ/с2, лежащем ниже 2Мц+мя.
* * *
Данная диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Во введении проведена классификация дибарионных резонансов и рассматривается постановка задачи по поиску СУД.
Первая глава посвящена наиболее важным теоретическим результатам,
предсказывающим существование шестикварковых образований. Проводится обзор имеющихся экспериментальных работ, где делались попытки обнаружить данные объекты микромира. Анализируется достоверность найденных указаний на существование таких состояний, и объясняются возможные причины их не наблюдения в ряде работ.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной зоны Линейного
ускорителя протонов и установки TAMS, на которой проводился поиск СУД.
Приведены кинематические расчеты изучаемых процессов и описаны геометрия установки, ее состав, функционирование электроники сбора и накопления информации и процедура обработки данных. Приведены результаты испытания и калибровки оборудования на пучке протонов. Даны основные параметры установки. Оценивается влияние различных факторов на разрешение установки по недостающей массе.
В третьей главе приведены результаты экспериментального поиска: спектры недостающей массы реакции р + </ ->р1 + АГ, значения полученных экспериментальных выходов, ширин и уровни значимости.
Четвертая глава посвящена изучению особенностей образования и распада СУД. Приведены их ожидаемые величины ширин и сечений, а также вычисленные вклады дибар ионных событий в экспериментальные спектры.
В пятой последней птаве проводится сравнение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами, а также анализируются возможные квантовые числа дибарионов, связанных с наблюдаемыми узкими структурами.
В заключении кратко сформулированы основные результаты выполненных исследований.
* * *
Автором на защиту выносятся следующие основные результаты, определяющие научную новизну настоящей работы.
1. Предложен метод эффективного выделения .полезных событий за счет подавления фона при поиске сверхузких дибарионов в реакции р(1 -> рХ без регистрации у-кванта от распада СУД. Этот метод заключается в измерении спектров недостающей массы в условиях, когда протон-спекгатор регистрируется в совпадении со второй заряженной частицей (р или (I) от распада СУД.
2. Создана экспериментальная установка ТАМ Б - двухплечевой сцинтилляционный спектрометр заряженных частиц с измерением энергии и времени пролета с системой сбора и обработки информации. Установка позволяла измерять спектры недостающей массы с разрешением ~3 МэВ/с2 в условиях аналогового и цифрового отбора событий.
3. Выполнены расчеты : сечений образования СУД в реакции /?</ —>р1), ожидаемых вкладов дибарионов с различными квантовыми числами в спектры недостающих масс, угловых и энергетических распределений продуктов распада дибарионов.
6
4. Обнаружены две резонансные структуры в спектрах недостающей массы от реакции pd -> рХ при 1905 и 1924МэВ/с2 со значимостью 4,8 и 4,9 стандартных ошибок от фона соответственно и шириной, соотвегствующей экспериментальному разрешению. Спектры были измерены с помощью спектрометра TAMS на протонном пучке Линейного ускорителя ИЛИ при энергии 305 МэВ.
5. Дана наиболее вероятная интерпретация узкого пика, наблюдаемого при 1905МэВ/с2, как проявления сверхузкого дибарионного резонанса; выполнен сравнительный анализ угловых распределений протонов и дейтронов от распада частицы X и получена информация о квантовых числах дибариона в рамках этой интерпретации. Получена оценка сечения его образования.
Результаты настоящей работы опубликованы в работах [38,55-60,75,76,86-88] и были представлены на Международном совещании в Санкт-Петербурге (1995 г.), на Международной конференции в Москве (ИТЭФ, 1998 г.), а также на семинарах. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Все результаты настоящей работы были получены автором. Автор внес большой вклад в создание установки, измерение спектров недостающих масс, принимал непосредственное участие в постановке эксперимента, в проведении измерений и статистической обработке данных, выполнил расчеты для сравнения полученных данных с теорией. Г1о всем вопросам, вынесенным на защиту и обсуждаемым в диссертации, вклад автора является определяющим.
7
Глава I.
Основные теоретические предсказания и экспериментальный поиск узких
дибарионов.
1. Основные теоретические предсказания.
1.1. Первые модели узких дибарионных состояний.
Впервые на возможность существования шестикварковых состояний обратили внимание В.А.Матвеев, П.Сорба, Р.Жаффе, П.Мюльдерс, Л.Кондратюк и другие [7-72]. В этих работах, как правило, рассматривались дибарионы, которые преимущественно распадаются на два нуклона по каналу сильного взаимодействия. Поэтому они должны проявляться в виде широких структур в спектрах эффективных масс двух нуклонов с Г~100 МэВ/с2 Однако, такие структуры, если они будут найдены в эксперименте, могут быть интерпретированы и без привлечения гипотезы дибарионов [13,14]. Было показано, что при определенных условиях возникают ограничения на распады в NN канал, приводящие к малой ширине резонансов [11,12,15-21].
Так Л.Кондратюк [75] предложил рассматривать дибарион как вытянутую, вращающуюся ‘гантель’, на одном конце которой расположены 4 кварка, а на другом 2. Необходимость перестройки структуры дибариона для распада на два нуклона должна приводить к увеличению времени жизни, а значит к малой ширине. В модели вращающихся соединенных ориентированных струн Ю.Троян и К.Бешлиу [16] предсказали дибарионные массы, значения которых сильно зависят от параметров модели. В методе Ю.Покровского [17] рассматривается квазиядерная природа дибарионов и учитываются многомезонные обмены в МЯ- взаимодействиях с возбуждением А - изобар в промежуточных состояниях. Метод Б.Арбузова [18] основан на предположении о существовании кулоновского релятивистского потенциала с поглощающей частью, в результате действия которого возникают узкие резонансы в системе любых заряженных частиц. И.Бажанский [19] предположил, что наблюдаемые узкие пики имеют статистическую природу и являются флуктуациями сечений, возникающих из-за перекрытия дибарионных состояний. Однако узкие состояния, как было замечено в другой работе И.Бажанского [20], получаются лишь при очень больших размерах кваркового мешка. Б.Мартемьянов и М.Щепкин [27] указали на возможность существования узкого состояния с шириной порядка нескольких МэВ/с2. М.МакГрегор [22] предсказал узкие дибарионы с массами М =2020 МэВ/с2 состояние) и М =2060 МэВ/с41 (3Р] состояние) на основе ротационной модели.
- Киев+380960830922