Экспериментальное исследование адронных взаимодействий фотона с помощью детектора Н1 на ускорителе ГЕРА тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

. Президиум V :

■ (решениэот«■ №

присудил з^авнухо степень ДО1\.1'0РА!

У ' (7 :

/Начальник управления ВАК России ••

Ф-

1 „ .;>

; •> , / ' 4 ' ' / ' -

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ФИЗИКИ

Ростовцев Андрей Африканович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДРОННЫХ СВОЙСТВ ФОТОНА С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРА Н1 НА

УСКОРИТЕЛЕ ГЕРА

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1997

Оглавление

1 Введение 3

2 Кинематика ер рассеяния на коллайдере HERA 9

3 Теоретические модели взаимодействия фотона с материей 14

3.1 Фоторождение................................................15

3.2 Реакция глубоко-неупругого рассеяния....................19

4 Электрон-протонный ускорительный комплекс HERA 26

5 Описание детектора Н1 31

5.1 Центральный трековый детектор..........................33

5.2 Передний трековый детектор ..............................38

5.3 Калориметр на жидком аргоне ............................40

5.4 Задний электромагнитный калориметр....................43

5.5 Система измерения времени пролета......................45

5.6 Система измерения светимости............................46

6 Полное и парциальные сечения 7p взаимодействия 48

7 Измерение плотности потока энергии 59

8 Измерение плотности потока заряженных частиц 69

9 Измерение распределения поперечного импульса заряженных частиц 7 6

10 Фоторождение частиц с большим поперечным импульсом 84

11 Рождение адронных струй с большой поперечной энергией 92

11.1 Фоторождение адронных струй .............. 92

11.2 Рождение адронных струй в реакции глубоко-неупругого рассеяния. Сравнение со случаем фоторождения..... 100

12 Дальнейшие исследования свойств сильного взаимодействия фотона и протона на коллайдере HERA 109

13 Заключение 112

1 Введение

В настоящее время одной из центральных задач физики высоких энергий является поиск единого практического подхода к описанию сильных взаимодействий элементарных частиц. Несмотря на то, что фундаментальная теория сильных взаимодействий - квантовая хромодина-мика (КХД) - существует уже более четверти века, практически полезные вычисления можно провести только для весьма ограниченного класса реакций называемых "жесткими". Примерами таких реакций являются рождение тяжелых кварков или адронных струй с большой поперечной энергией, реакция глубоко-неупругого рассеяния лептона и т.д. В жестких реакциях участие больших переданных импульсов определяет малую величину бегущей константы связи а8, что, в свою очередь, позволяет использовать методы теории возмущений - пер-турбативной КХД (пКХД). Однако, в большинстве случаев взаимодействие определяется незначительной передачей энергии (так называемые "мягкие" процессы) и методы теории возмущений становятся неприменимы. В области мягких процессов работают феноменологические модели (теория Редже, кварковый счет и т.д.). Широкий "пролив" в теории между мягкими и жесткими процессами остается, пока, непреодолимым. В экспериментальной практике разделение на мягкие и жесткие реакции в адрон-адронных взаимодействиях связано с отсутствием удобной наблюдаемой переменной, непрерывное изменение которой позволило бы контролировать плавный переход из одной категории реакций в другую. Таким образом, как с теоретической, так и с экспериментальной стороны существуют объективные трудности проведения исследований во всей области проявления сильных взаимодействий в столкновениях частиц высокой энергии в рамках еди-

ного подхода. Дополнительно, вычисление сечений жестких процессов, обычно, основано на знании начальных распределений плотности пар-тонов в сталкивающихся частицах. Вопрос о структуре материи на партонном уровне тесно связан с проблемой конфайнмента и на сегодняшний день не имеет удовлетворительного ответа.

Уникальную возможность исследования переходной области между мягкими и жесткими процессами предоставляют данные, полученные за последние годы на ер-коллайдере HERA. Столкновения электронов с протонами происходят путем обмена фотоном и, таким образом, определяются взаимодействием фотонов с протонами. В условиях коллай-дера HERA взаимодействующие фотоны имеют непрерывный спектр энергий. Более того, отбирая события с электроном, рассеянным на большой угол, экспериментаторы получают возможность изучать взаимодействие виртуальных фотонов. Таким образом, данные, полученные на коллайдере HERA, позволяют изучать широкий спектр реакций от взаимодействия реальных или квази-реальных фотонов (фоторождение) до глубоко-неупругого взаимодействия фотонов, имеющих высокую степень виртуальности.

Взаимодействие виртуального фотона с материей рассматривается как жесткий процесс поглощения фотона точечными объектами внутри материи - партонами. Такое представление является основанием для интерпретации структурных функций, измеренных в реакциях глубоко-неупругого рассеяния, на языке плотности партонов. Что касается фоторождения, то во многих отношениях этот процесс напоминает адрон-адронные взаимодействия со свойственным им медленным ростом полного сечения при увеличении энергии и существенной долей диффрак-ционных реакций. Такие процессы относятся к категории мягких и исторически остаются областью применения феноменологических мо-

делей. Единственным формальным параметром, по которому разделяются эти два класса процессов является величина виртуальности фотона (<22). Очевидно, что нельзя установить четкую границу между фоторождением и глубоко-неупругим процессом. Более того, в широком интервале величин одновременно проявляются свойства, присущие обоим процессам. В этой переходной области различные свойства одной и той же реакции приходится описывать на языке разных моделей. Таким образом, уникальная возможность непрерывно изменять параметр ф2 при взаимодействии фотонов позволяет экспериментально исследовать свойства переходной области между мягкими и жесткими процессами. Дополнительно, в отличии от адронов, в ряде случаев фотон может рассматриваться как точечная частица, что в значительной мере упрощает полную картину взаимодействия.

Анализ экспериментальных данных в переходной области помогает, в первую очередь, определить интуитивную картину взаимодействия. При существовании полной теории, описывающей явление, такая картина имеет важное, но не критическое значение. Однако, при отсутствии такой теории интуитивная картина играет решающую роль в развитии моделей, помогает связать и интерпретировать различные наблюдения. Так, при описании взаимодействия фотона с материей удобно пользоваться концепцией, приписывающей фотону внутреннюю структуру. Любопытно проследить как эта концепция изменялась с увеличением энергии взаимодействия фотона. В начале, с появлением квантовой электродинамики фотон рассматривался в теории как точечная частица. Такая теория успешно предсказывала спектральные линии и явление фотоэффекта. Фотоны более высокой энергии способны рождать в кулоновском поле е+е~ пары. С одной стороны, этот процесс полностью описывается в квантовой электродинамике, однако,

на практике часто оказывается удобным пользоваться представлением о фотоне, как о частице, содержащей примесь е+е~ пар до взаимодействия. Процесс рождения пар может служить первым примером проявления внутренней структуры фотона. В дальнейшем, во время опытов по фоторождению пи-мезонов, с целью описания этого конкретного явления, фотон рассматривался в качестве точечной частицы, "зондирующей" распределение плотности электрического заряда в адро-нах и переводящей адроны в возбужденное состояние с последующей диссоциацией. Таким образом, как и в атомной физике, так и в фоторождении, результат взаимодействия полностью определялся свойствами мишени. С увеличением энергии налетающего фотона обнаружилось удивительное сходство свойств событий фоторождения со свойствами адрон-адронных реакций. Это обстоятельство логически привело к интуитивному представлению о физическом фотоне как сложном объекте, обладающем внутренней адроноподобной структурой. Такая точка зрения, однако, встретилась с трудностями при объяснении первых данных по глубоко-неупругому рассеянию электронов на протоне в 1969 году. Обнаруженное явление скейлинга удалось описать в рамках кварк-партонной модели. В последующие годы более тонкий эффект нарушения скейлинга стал примером успешного применения пКХД и точка зрения на виртуальный фотон, как точечный "пробник" партонной структуры материи, стала традиционной. Введение в строй ускорительно-накопительного комплекса HERA позволило существенно увеличить энергию взаимодействия фотонов. Анализ первых данных, полученных на коллайдере HERA, показал, что виртуальный фотон проявляет адронные свойства подобно реальному фотону в реакции фоторождения. Сравнению свойств реального и виртуального фотонов посвящена данная диссертация.

В настоящей работе описаны экспериментальные результаты, полученные с помощью детектора Н1 на ускорителе HERA, как по фоторождению, так и по взаимодействию виртуальных фотонов. Описанные результаты обсуждаются преимущественно в рамках адронной модели взаимодействия фотонов. Там, где это возможно, проводится аналогия с данными по адрон-адронным взаимодействиям.

Цикл экспериментальных работ, выполненных автором и положенных в основу диссертации, представляет собой новый подход к изучению свойств фотона. Новизна подхода заключается в одновременной обработке и сравнительном анализе данных по фоторождению и глубоко-неупругому рассеянию при одной и той же энергии взаимодействия фотона с протоном. Сравнивая экспериментальные данные по фоторождению и глубоко-неупругому рассеянию, автор показывает, что многие свойства взаимодействия фотонов высокой энергии с материей имеют универсальный характер и не зависят от степени виртуальности фотона, либо могут быть описаны простой медленно меняющейся функцией Q2. Формально результаты расчетов, сделанных в рамках модели, описывающей взаимодействие реальных фотонов, оказываются также справедливы в кинематической области глубоко-неупругой реакции с участием виртуального фотона, и наоборот. Такой подход может в дальнейшем послужить основой для построения универсальной картины сильного взаимодействия частиц высокой энергии.

Диссертация содержит 13 Глав. В Главе 2 даётся введение в кинематику ер рассеяния. Глава 3 посвящена краткому описанию теоретических моделей, используемых для интерпретации данных по фоторождению и глубоко-неупругому взаимодействию. В Главах 4 и 5 описаны главные характеристики электронного и протонного пучков, а также

элементы экспериментальной установки Н1 использованные при анализе данных. В Главе б обсуждаются результаты измерения полных и парциальных сечений взаимодействия фотона с протоном. Последующие Главы 7 и 8 посвящены измерению плотности потока поперечной энергии и заряженных частиц в событиях фотон-протонного взаимодействия при различных значениях виртуальности фотонов. Глава 9 посвящена измерению распределений поперечного импульса заряженных частиц в событиях фотон-протонного взаимодействия при различных значениях виртуальности фотонов. Сечение фоторождения заряженных частиц с большим поперечным импульсом как функция энергии взаимодействия обнаруживает близкое сходство с поведением полного сечения взаимодействия виртуальных фотонов. Эта аналогия прослеживается в Главе 10. При энергии, достигнутой на коллайдере HERA, было впервые зарегистрировано рождение адронных струй с большой поперечной энергией во взаимодействии фотона с протоном. Измерению сечения рождения струй, изучению свойств таких событий и сравнению свойств реакции образования струй в событиях фотон-протонного взаимодействия при различных значениях виртуальности фотонов посвящена Глава 11. Глава 12 посвящена обсуждению возможных измерений чувствительных к внутренней динамики сильного взаимодействия фотонов и протонов. В Заключении сделан краткий обзор результатов полученных в настоящей работе. Благодарности и список литературы завершают диссертацию.

2 Кинематика ер рассеяния на коллайдере HERA

Электрон-протонный ускорительный комплекс HERA ( сокращ. от английского Hadron-Electron Ring Accelerator) является уникальным ускорителем-накопителем встречных пучков электронов и протонов с энергиями Ее — 27.6 ГеВ и Ер = 820 ГеВ соответственно. Энергия ер столкновений в системе центра масс на коллайдере HERA yfs — 2 <jEeEp составляет примерно 300 ГэВ, что более чем на порядок превышает энергии, достигнутые в экспериментах по рассеянию лептонов на фиксированных мишенях. В настоящей Главе даётся краткое введение в кинематику ер рассеяния на коллайдере HERA. Более подробно с кинематическими переменными используемыми для анализа можно познакомиться в [1].

Основной реакцией, изучаемой на коллайдере HERA, является процесс рассеяния электрона на протоне

р + е ->• е' + Х . (1)

Этот процесс происходит путем обмена фотоном 1 и характеризуется двумя независимыми непосредственно наблюдаемыми переменными: энергией (Е'е) и углом (в'е) рассеянного электрона в лабораторной системе. Хотя переменные Е'е, в'е имеют простой физический смысл, более удобно использовать Лоренц-инвариантные переменные Q2 и у. Переменная Q2 определяется как квадрат переданного при рассеянии электрона 4-импульса Q2 = — (Ре — Р'е)2- Переменная у характеризует степень неупругости процесса рассеяния у = 2Рр ■ (Ре — P'e)JS = M^/S. Здесь Рр, Ре и Р'е обозначают 4-импульс сталкивающихся протона, электрона и рассеянного электрона соответственно. Значение переменной у изменяется в интервале от 0 до 1. В дальнейшем будут рассма-

ХВ кинематической области, рассматриваемой в данной работе вклад ^°-обмена несущественен.

триваться только неупругие процессы с у > 0.05. Величина Q2 всегда положительна и определяет виртуальность фотона. В зависимости от значения Q2 традиционно разделяют

• процесс фоторождения (Q2 —> 0) и

• процесс глубоко-неупругого рассеяния с Q2 > 1 ГэВ2. ( Значение 1 ГэВ2 весьма условно, указано здесь исключительно с целью обозначить порядок величины и не может служить определением четкой кинематической границы.)

Переменные Q2 и у выражаются через непосредственно измеряемые К^'е

Q2 = 4£e£>s2| (2)

и

у = 1 - sin(3)

у Ее 2 W

Дополнительными удобными переменными являются Бьёркеновская скей-

линговая переменная х

и энергия взаимодействия фотона с протоном

w = у/yS-Q\ (5)

На языке кварк-партонной модели величина х характеризует долю импульса протона, переносимую кварком, поглотившим налетающий фотон. Переменная х имеет наглядный смысл в системе, где протон движется с большой скоростью. На Рисунке 1 показана кинематическая область реакции (1), доступная на ускорителе HERA. Для сравнения также показана область, соответствующая данным, полученным в более ранних экспериментах на фиксированных мишенях.

ГЗеУ2]

-А

Ог [ЗеУ2]

Рис. 1: Кинематическая область реакции глубоко-неупругого рассеяния. В реальных условиях налетающий электрон может иметь энергию

ниже номинального значения. Это происходит вследствие излучения электроном радиационного фотона до момента взаимодействия. В таком случае, формулы (2) и (3) дают завышенные значения и восстановить кинематические свойства взаимодействующего фотона можно измеряя адронную систему X. Например,

ЕХ ~ Рг,Х

У = Улз

2 Е,.

(6)

где Ех и рг х ~ энергия и ^-компонента импульса адронной системы X. Ось-^ совпадает с направлением протонного пучка. Несмотря на то,

что большая часть вторичных адронов из X рождается под малыми углами к оси протонного пучка и не регистрируется детектором, выражение 6 удобно в практическом применении, так как эти адроны не дают существенного вклада в разницу Е — рг.

Дважды дифференциальное сечение рассеяния электрона на протоне без учета радиационных поправок записывается [2]

где - полное сечение взаимодействия фотона с протоном,

зависящее только от свойств самого фотона (ф2) и полной энергии взаимодействия. Выражение, стоящее в правой части формулы (7) перед сг7р, определяет поток фотонов в электронном пучке. Параметр Я определяет относительный вклад продольно поляризованных фотонов в полное сечение сг1р. В пределе фоторождения Я = 0 и выражение для потока фотонов принимает форму, называемую приближением Вильямса-Вайцзэкера [3, 4]. В дальнейшем для случая фоторождения в формулу Вильямса-Вайцзэкера мы добавляем член, пропорциональный массе электрона (ше), который несущественен в общем случае, когда О;2 т2, и выражение для потока реальных фотонов приобретает следующий вид [5]

(8)

где <5тт ~ (те2/)2/(1 ~ у) ~ минимальное значение 0>2, кинематически допустимое в реакции (1). При ~ 0 существенно упрощается выражение для у = (Ее — Е'е)/Ее, которое теперь имеет простой физический смысл - доля энергии налетающего