Анализ экспериментов по ρρ-взаимодействию и проблема существования бариониума тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Виедсшю

Глава I Упругое РР рассеяние и анализ РР рассеяния вперед.

1.1. Экспериментальный метод

1.2. Анализ процедуры измерения

1.3. Дифференциальные сечения упругого РР рассеяния и амплитуда рассеяния вперед

1.4. Анализ РР рассеяния вперед.

Глава И Анализ электромагнитного формфактора протона вблизи РР -порога.

II. 1. Формула Розенблюта.

11.2. Методы вычисления нуклонных формфакторов.

11.3. Измерение формфактора протона во времени подобной области вблизи порога.

11.4. Описание данных эксперимента Р8170 по электромагнитному формфактору протона.

Глава 111 О согласованности результатов экспериментов по изучению РР взаимодействия вблизи порога, выполненных на установках LEAR и ADONE.70 III. 1. Данные коллаборации OBEL1X по полным и аннигиляционным сечениям и новый кандидат на бариопиум.

111.2. Результаты эксперимента FENICE и их сравнение с данными коллаборации OBEL1X.

Цслыо работы является интерпретация неожиданных результатов экспериментов по изучению упругого рр рассеяния вперед и определению модуля электромагнитного формфактора протона вблизи рр порога на основе гипотезы о существовании бариониума с малой энергией связи.

Экспериментальные исследования рр - взаимодействия стали возможны после того, как в 1955 г. было зарегистрировано рождение антипротона [1]. Однако долгое время они затруднялись тем, что пучки медленных антипротонов не обладали необходимыми характеристиками. Действительно, антипротоны составляют небольшую часть вторичных частиц, возникающих при столкновении энергичных протонов с мишенью. Кроме того, они рождаются в широком интервале углов и энергий.

Существенный прогресс был достигнут к 1981г., когда в CERN (Европейский Центр Ядерных Исследований) был создан антипротонпый накопитель. В нем антипротоны накапливались, очищались от примесей короткоживущих пионов. Кроме того, с помощью специальной процедуры уменьшался разброс по энергиям и направлениям. Подавление продольных колебаний пучка называется "стохастическим охлаждением" и было предложено Будкером А. М. "Охлажденные" и замедленные пучки антипротонов направлялись па установку LEAR (Низко энергетическое аитинротонное кольцо). IIa ней была выполнена обширная программа исследований по рр -взаимодействиям при низких энергиях. Ниже, однако, ограничимся анализом только последних экспериментов но поиску связанного состояния протона и антипротона - бариониума.

Остановимся сначала па теоретических основаниях существования бариониума. Впервые вопрос о нем был поднят в работе Ферми и Ян га [2] в связи с открытием л-мезона еще до экспериментального обнаружения антипротона. В ней пион рассматривался как связанное состояние протона и антипротона на том основании, что некоторые компоненты нуклон-нуклонных сил при рассмотрении взаимодействий нуклонов и антинуклонов из отталкивающих превращались в притягивающие. Впоследствии вопрос о переходе от NN -потенциала к NN -потенциалу обсуждался И.С.Шаииро с сотрудниками [3] и другими авторами [4]. Кваркопыс модели также дают указание на существование бариониума [5]. Связанные состояния NN системы искались путем наблюдения рождения моноэнсргетичсских частиц при pN взаимодействиях в покое и на лету. Два различных экспериментальных подхода были использованы для поиска рп и рр; связанных состояний при pd взаимодействии путем измерения энергетических спектров нуклонов отдачи (р и п - соответственно). В альтернативном подходе измерялось энергетическое распределение продуктов аннигиляции при захвате р в аитииротониом атоме (в частности в протониуме (рр). Изучалось образование глубоко связанного состояния (энергия связи порядка 100 МэВ) с помощью моноэиергетического я или у перехода с орбит иротониума (энергия связи порядка 10 КэВ).

Опишем подробнее первый подход [6]. При взаимодействии /Г с жидким дейтерием pd —> (рр -> Х)п; (рп —Х)р нуклон отдачи при образовании состояния X уносит часть энергии. Главный вклад в амплитуду процесса определяется квазисвободным рассеянием (Рис. 1а), а мезонное (Рис.16) или нуклонное перерассеяние (Рис. 1с) могут р-о===С£--- Р d d -.- - —&— а) (с) Р d

Ь)

Рис. 1 затушевать эффект связанного состояния. При аннигиляции на лету может образоваться не только связанное состояние, но и резонанс. В нерелятивистском пределе для состояния близких к порогу^ величина недостающей массы О определяется приближенным выражением

Т-ЗТ,

Q = Мх -2М = -- + (Т Т„Y1 cos© где Мs— масса искомого состояния, М — масса нуклона, Т — кинетическая энергия падающего антипротона, TN — кинетическая энергия нуклона отдачи и

0 — угол его вылета в лабораторной системе (Приложение 1). В экспериментах на дейгерисвой пузырьковой камере в BNL (Брукхэвинская национальная лаборатория) были получены указания на существование узких рп состояний с энергией и шириной (1794; 8) МэВ, (1897; 25) МэВ и S(1932) МэВ резонанса [7]. Однако, как в опытах в CERN на пузырьковых камерах [8], так и в более поздних опытах в BNL [9] эти результаты не подтвердились. Наиболее обширный эксперимент Амслера был выполнен в BNL на жидкой детейриевой мишени с целыо поиска связанных состояний рр и рп. Состояния рп ранее не изучались в связи с трудностью регистрациинейтронов.Схема эксперимента изображена на (Рис.2). Антипротонный пучок очищался двумя электростатическими сепараторами El,

Е2 и магнитным спектрометром М. Телескоп S0S1S2 выделял направление пучка на мишень Т. Отношение числа частиц ^ в мишени было порядка

10%. При импульсе 500 МэВ/с поток антипротонов составлял 2000 в одном импульсе. Проволочные камеры Wl, W2, W3 обеспечивали точность определения импульса антипротона 0.7%. Антипротоны останавливались в однометровой мишени Т. Место аннигиляции (вершина) измерялось с точностью до ± 2 cm вдоль пучка двумя парами плоских многопроволочных пропорциональных камер L, расположенными над и иод мишенью. Антипротоны поглощались в среднем на глубине 62 см. Треть всех

Рис. 2 взаимодействий происходила с импульсом меньше 300 МэВ/с, т.е. на меньшей глубине.

Энергия нуклона отдачи определялась по времени пролета между вершиной и пакетом пластиковЕлх ецшщиляторов A-D. Главный вклад в разрешающую способность по энергии определялся точностью измерения времени пролета в ±500 пс. Угол отдачи нуклона определялся положением вершины и точкой попадания его в сцинциляционный счетчик, которая измерялась с точностью ±5 ст по разности времен регистрации. Она была откалибрована но моноэнергетическим нейтронам от реакций руп(9 МэВ) и п~d nn(68 МэВ) (величина энергетического разрешения). Большой кристалл (N) из Nal диаметром 30 дюймов, окруженный стальным кожухом, использовался для измерения инклюзивного спектра фотонов от pd аннигиляции.

4« 10 г

Z А

X •п

Z 2 о а)

I-\ f] Л* f н Ы

-— f\~ г-1 п :

Г—» (—1 п n »(рп! (.¡>р) i I

JL

1700 1750 1800 1850 1ЭОО MI5SING MASSIMhV)

Рис.3

Распределение недостающих масс Мх от pd аннигиляции приведено на Рис.3 для рп и рр взаимодействий. Обрезание в спектре рп событий при 1500 МэВ объясняется поглощением протонов в мишени.

Сразу же под порогом вид распределения недостающих масс определяется внутренним движением спектатора (р) в дейтерии. Длинный "хвост" распределения возникает за счет множественного перерассеяния типа перерассеяния на Рис.lc [14J. Никаких значимых отклонений в спектре Mx(jm) не наблюдается. Для образования связанного состояния с шириной порядка энергии разрешения и меньше 4J предел для рп составляет 6*10"4и 2 Ю-'1 для рр. В спектре Мх(рр) обнаруживается рост при Мх > 1800 МэВ вплоть до границы наблюдения 1850 МэВ. Авторы предлагают объяснять это усиление влиянием рр взаимодействия в начальном состоянии. Оно сильно анизотропно по углу рассеяния, что и отражается в спектре Мх. Это распределение и взаимодействие на лету не подтвердили существование состояний 1794 МэВ и 1897 МэВ. Отмечено, что позднее в CERN также проводились опыты по поиску узких NN состояний в аннигиляции антипротонов с импульсами 650 МэВ и 817 МэВ. Упомянутые выше состояния не были обнаружены. Однако эти результаты не противоречат возможности существования связанного состояния в интервале 1850 < Мх < 1876 МэВ с ширинами меньше энергии разрешения 2 МэВ.

Альтернативным подходом к изучению NN связанных состояний является обнаружение моноэпсргстических 7Г*, 7г° и у квантов от переходов из рр атомных состояний. Так как правила отбора для излучения zr*, и у различны, то существует несколько разных случаев таких переходов. Для излучения л"-мезонов и электромагнитных М переходов сумма Lt+Lr+l должна быть нечетной ( Lt, Lf угловые моменты начального и конечного состояний, а / - угловой момент уносимый мезоном или фотоном). Для Е переходов у квантов сумма четна. При излучении (или у ) с-четность сохраняется и для пионов в кроме того сохраняется G-четность и изотонический спин. В потенциальных моделях вычисление вероятностей переходов с учетом этих правил отбора были выполнены Довером [11]. Переходы с AL = |L, - Lf | = 0 или 1 предпочтительнее чем с AL > 1, которые подавлены на несколько порядков. Типичные вероятности перехода из атомного состояния в ядерное для ДL = 0,1 порядка 10"2—10"3

В BNL и CERN были выполнены исследования электромагнитных у линий с помощью детектора на основе Nal . В работе [12] сообщалось о трех линиях при 183, 216 и 420 МэВ с выходом 7*10'3 Эти эксперименты были повторены Рихтером [13] также с помощью детектора на основе Nal в виде шарового сектора с вдвое большей статистикой. Линии 183 и 216 МэВ были подтверждены и наблюдались две дополнительных при 102 и 550 МэВ. Соответствующие им массы связанных состояний равны 1771, 1694, 1638 и 1210 МэВ, что указывает на большие энергии связи.

На установке Амслсра (Рис.2) также изучались монохроматические переходы между NN состояниями [15]. Для этого использовались реакции pd —> XN, X —» X' у . Угол вылета и энергия нуклонов отдачи определялись с помощью временных измерений на установке (Рис.2). Фотон регистрировался Nal кристаллом N. Энергия фотона корректировалась на Доплеровский сдвиг.

IM П

О AT REST

• in шею iso 150 гоо «о Photon enerc» imevi

Рис.4

Спектры распределения по оперши дня аннигиляции п покое и налету приведены на (Рис.4). Авторы объясняют рост распределений при малых энергиях за счет медленных нейтронов, а никаких существенных неодпородностей п спектре не обнаружено. Однако, по-нашему мнению, эти результаты не исключают наличие структуры в распределении при Еу < 50

МэВ. Измерение распределений монохроматических заряженных пионов [14] в процессе рр-+Х*тг~ при импульсах антипротонов 1,3 ГэВ/с также не дало указаний на наличие NN связанных состояний.

Хотя выше бариониум был определен как состояние с массой меньшей массы двух нуклонных масс, его понимают иногда более широко как резонансное состояние с любой массой. Из состояний такого типа наиболее известен S (1930) мезон. Он был обнаружен в 1966г. в распределении по недостающей массе [16] в реакции п~р рХ~. Позднее S -мезон наблюдался в нескольких экспериментах, например, в пузырьковой камере [17] при массе около 1930 МэВ, а иногда его существование отвергалось [18]. Обсудим его проявление в полном сечении (Рис.5) и сечении аннигиляции, так как эта информация будет существенно использована при анализе амплитуды упругого рр рассеяния вперед.

В эксперименте Carroll [19] по измерению полных ~рр и pd сечений был обнаружен их рост при импульсе 475 МэВ/с налетающего антипротона, указывающий на состояние с массой и шириной (М,Г)=(1932; 9) МэВ и интегральным сечением 160 мбМэВ. Сравнение данных на водороде и дейтерии говорило в пользу изотопического спина объекта равного 1. Позднее структура (1936; 9) МэВ наблюдалась в эксперименте па пузырьковой камере в CHRN [20] с интегрированным сечением 95 мбМэВ. S-рсзоианс наблюдался и при более тяжелых массах (1939; <4) в сечениях аннигиляции и упругом рассеянии с интегрированным сечением в 26 ±6 и 20 ±10 мбМэВ соответственно [21]. Хотя и не ожидается, что NN состояния сильно связаны с многомезонными конечными состояниями, влияние фазового объема вблизи порога приводит к заметным сечениям аннигиляции. В измерениях полного сечения Sakomoto и др. [22] S-мезон на пределе статистической достоверности имел параметры (1935; 5) МэВ с интегральным сечением 15 ±4 мбМэВ. В исследовании, выполненном в BNL [23J, в полном сечении и сечении аннигиляции на водороде обнаружена структура с параметрами (1939; 20) МэВ и высотой 3 мб над фоном [24J. Эта структура не наблюдалась в pd взаимодействии. Поскольку резонанс с изоспином 1 должен проявляться в три раза чаще на дейтерии, чем на водороде, то последний факт свидетельствует о нулевом изоспине этого объекта.

20 о Е

10

2 g b-О UJ со со с о

-10

300 400 500 600 700 800 LAB. MOMENTUM (MeV/c) Рис.5

На Рис.5 приведены предсказания работ [19-23J но сравнению с плавной кривой, интерполирующей результаты работы [24J по полным сечениям, а также отклонения экспериментальных точек этой работы от плавной кривой. Интерполяционная кривая из [24] принята за базовую, так как в этом эксперименте на 90% уровне достоверности было отвергнуто существование структур с площадью 24 мбМэВ. (Рис.5) демонстрирует, что узкая структура работы [21] с площадью 46 мбМэВ исключается, в то время как структура с интегрированным сечением в 12 мбМэВ [23] может присутствовать.

К работам по измерению полных сечений рр рассеяния примыкают измерения дифференциальных сечений упругого рр рассеяния и определение параметра р - отношения действительной части к мнимой части амплитуды упругого рр -рассеяния вперед. Измерение р было выполнено в ВЫЬ в работе

25]. Результаты приведены на (Рис.6). Сплошными кружками отмечены значения р , полученные без учета спиновых эффектов. Окружности относятся

Momentum [MeV/c] Рис.6 к значениям р, полученным с использованием предсказаний спиновых эффектов Парижским NN потенциалом. Хотя зависимость р от спиновых эффектов и проявляется, общим свойством двух наборов значений р является малость его значений при импульсах 350< р <650 МэВ/с и вероятное присутствие нуля р.

Ограничимся обзором этих экспериментов, поскольку они будут важны для нашего исследования и получат дальнейшее развитие на установке LEAR. Если говорить о результатах, полученных на LEAR, в целом, то они являются повторением ранее выполненных экспериментов на новых установках и с новыми пучками антипротонов. Предыдущие эксперименты были в основном поставлены на пузырьковых камерах или жидководородных мишенях. Это приводило к тому, что рр системы аннигилировали из состояний с угловым моментов L=0 за счет подавления электромагнитных каскадов. В водородном газе наоборот ожидается большой выход аннигиляции с Р -орбит. Модельно-зависимые оценки дали выход в 50%~90% с Р -орбит при нормальном давлении и температуре водородного газа. Все эти особенности были реализованы в эксперименте ASTERIX, изучавшем рр аннигиляцию в покое. Были рассмотрены следующие процессы:

База данных, например, для первого процесса составляла 1.5-106 аннигиляций в четырех лучевых событиях рр->2л+2л~Х , где Х- невидимые нейтральные объекты (в основном ) [27]. В нем не было получено прямых указаний на существование NN связанных состояний. В третьем процессе энергия связи возможного связанного состояния превышает 200 МэВ. Поэтому, не смотря на аналогичные отрицательные результаты поиска бариониума в этих и в других каналах, нельзя исключить его существования с малыми энергиями связи.

На установке ГЛ^'Ш были получены повью данные по амплитуде упругого рр рассеяния вперед (эксперимент Р8-172 и Р8-173). Новизна их состоит в необычном поведении р(р) при импульсах ~200 МэВ/с. Малые значения р и особенно положительность при Р=180 МэВ/с (Рис.7) вызывают большие трудности в понимании их с точки зрения дисперсионных соотношений [28]. Объяснению этих особенностей поведения р посвящена глава 1, в которой подробно рассмотрен эксперимент по измерению дифференциальных, полных сечений и р. Разобраны различные подходы к объяснению р(р) и использована модель, основанная на дисперсионных соотношениях. С помощью этой модели дано объяснение энергетического хода

1. 2.

3. рр -» KSKX/KSL, рр —> ря рр —> Х±7Г

T01AL C M. EHCRGT (MeV) 1BÖ0 1900 19 50 2000

Рис.7 a„„ 11 P сделай вывод о наличии у системы рр связанного состояния с малой шириной и энергией связи.

В главе И описан PS-170 эксперимент по измерению электромагнитного формфактора протона с помощью процесса рр е*е~ . Измерения привели к неожиданно резкому падению формфактора протона в окрестности рр порога, которое сильно отличается от предсказаний модели векторной доминантности. Такое поведение протонного формфактора может быть связано с наличием около порога связанного рр состояния. Используя результаты главы 1, мы показываем, что найденные н ней параметры объясняют и поведение электромагнитного формфактора прогона. Изучена модельная зависимость вывода о наличии бариониума. Сделаны предсказания относительно влияния бариониума на поляризацию в процессе рр е+е~ .

В главе III показано, что вышеупомянутые эксперименты на LEAR и данные по изучению реакции е* еГ -» адроны, выполненные в эксперименте FENICE на установке ADONE согласуются между собой.

В заключении подведены итоги по исследованию наличия квазиядерного связанного состояния в системе рр и обсуждается возможный эксперимент по его обнаружению.

Заключение

Подиедсм итоги выполненного исследования. Во Введении была коротко изложена история поиска бариоииумов в период до создания установки LEAR. Приведена схема одной из первых установок по поиску бариоииумов в опытах с дейтонами. Запуск установки LEAR позволил получать пучки антипротонов высокой интенсивности в широком интервале импульсов до 1,5 ГэВ/е. С их помощью было изучено монохроматическое излучение /-квантов, заряженных пионов, которые не привели к открытию бариоииумов. Однако исследования па LEAR дали и неожиданные результаты. Изучение упругого рр рассеяния привело к необычному поведению амплитуды рассеяния па нулевой угол.

В первой главе приводится схема экспериментальной установки, на которой были изучены упругое рассеяние и аннигиляционные процессы. Описана процедура, с помощью которой получена амплитуда упругого рр

Re 7' рассеяния вперед, а точнее полное сечение и р = '''' im7' • Эти Ла1ШЬ,с были проанализированы с помощью предложенной нами аналитической модели, справедливой в окрестности порога упругого рр рассеяния, определяемой импульсами 1>|аь<750 МэВ/с. Ныло показано, что их можно описать в виде суммы плавно меняющейся с импульсом фона от S, Р и D вол и и быстро меняющегося вклада от барионнума с малой энергией связи и малой шириной. Даны оценки энергии связи бариоииума ДEh и ширины Г: А/Г,, ~ Г - 10 МэВ.

Во второй главе объяснен результат эксперимента PS170 па установке LEAR по измерению электромагнитного формфактора протона вблизи рр порога. Формфактор протона представлен в виде суммы медленно меняющегося в зависимости от передачи импульса фона, обусловленного р, со и ср мезонами, и быстро меняющегося вклада от бариониума. Показана слабая зависимость окончательного результата от фона. На основе предложенной модели формфактора протона вычислена интегральная асимметрия процесса рр^ее при поляризованной перпендикулярно импульсу антипротона водородной м innen п. Показана сильная зависимость результатов от присутствия бариониума. Поэтому опыты с поляризованными адронамн важны для уточнения параметров бариониума. Для объяснения упругого рр рассеяния и электрон- позитронной аннигиляции использовались одни и те же значения энергии связи и ширины бариониума. Механизм однофотонной аннигиляции приводит к или квантовым числам бариониума.

В третьей главе доказана непротиворечивость экспериментов по изучению рр взаимодействия вблизи порога, выполненных на установках LEAR и ADONE. IIa основе модели упругого рассеяния вперед (глава I) показано, что вклад бариониума в полное сечение и сечение аннигиляции мал, а его вклад в действительную часть амплитуды велик и объясняет наблюдаемое поведение р. Поэтому вклад бариониума в полные сечения рр аннигиляции, измеренные коллаборацией OBELIX вплоть до импульсов 37,7 МэВ/с не иаблюдастся. Ссчсиис процесса рр—> адропы аннигиляции в адроны, измеренное в эксперименте FENECE, зависит как от действительной, так и мнимой частей амплитуды и обнаруживает бариониум с массой Мх=10±5 МэВ.

Предложена схема опыта но обнаружению слабосвязанного " бариониума" при изучении спектроскопом протониума коллаборацией ASASUSA на установке AD по замедлению антипротонов в CERN.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю Игорю Анатольевичу Голутвину за руководство и поддержку. 'Гак же я выражаю благодарность своим соавторам за плодотворное сотрудиичество в подготовке статей, составивших основу диссертации. Доброжелательные отношение и понимание со стороны руководителя сектора Сергея Александровича Мовчана и его сотрудников очень помогло работе.