Анализ метода измерения поляризуемости заряженного π-мезона в эксперименте COMPASS тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ТУРИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

62 11/6 На правах рукописи

УДК 539.126.3:539.12-1+539.172.5

Анализ метода измерения поляризуемости заряженного 7г-мезона в эксперименте

COMPASS Гуськов Алексей Вячеславович

Диссертация на соискание степени доктора философии Туринского университета по специальности "Физика и

астрофизика"

представлена к защите 9 февраля 2010 года Туринском университете перед комиссией в составе:

Даниэле Панциери - председатель комиссии Ринальдо Балдини Ферроли - оппонент Ферруччо Балестра - руководитель диссертации Александр Ольшевский - руководитель диссертации

РОССИИ

фешелие or" Gj± (ОЫ/19

- \-и едать диплом}-

сотрудничеству

ена в

сии

у Объединё

IX SjM

к w^mJ m тщ

1рамках соглашения по рным Институтом Ядерных им университетом

ibio

АННОТАЦИЯ

COMPASS - эксперимент на вторичном пучке суперпротонного синхротрона (SPS) в ЦЕРНе, целью которого является изучение структуры адронов и адронная спектроскопия с использованием мюонных и адронных пучков высокой интенсивности. Одной из задач эксперимента является прецизионное измерение электрической а^ и магнитной ßn поляризуемостей заряженного 7г-мезона. Интерес к данному вопросу обусловлен тем, что в настоящее время существует существенное расхождение как между результатами предыдущих измерений, так и между предсказаниями различных теоретических моделей.

В диссертации на основе данных, полученных во время предварительного сеанса с адронным пучком 2004 года, проанализирована возможность измерения поляризуемостей заряженного пиона в реакции радиационного рассеяния на ядерной мишени + (A, Z) —> 7г_ + (А, Z) + 7. В работе представлены первые результаты наблюдения данной реакции на установке COMPASS, оценены возможные статистическая и систематическая ошибки измерения поляризуемостей пиона в приближении аж + ß-к = 0, представлен анализ фоновых процессов и оценен их вклад в систематическую ошибку. Также предложены изменения в дизайне установки и стратегии набора данных для оптимизации будущих измерений поляризуемостей пиона. Автором показано, что всего за месяц нового набора данных в эксперименте COMPASS может быть достигнута точность измерения величины в предположении an+ßn = 0 на уровне 0.4 х 10~4 фм3, что в 4 раза точнее лучших предыдущих измерений.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ПЕРЕВОДУ

Данная работа является переводом на русский язык диссертации на соискание степени доктора философии Туринского университета по направлению "Физика и астрофизика". Диссертация была написана на английском языке и представлена к защите 9 февраля 2010 года. Эта диссертация - результат тесного сотрудничества Объединённого Института Ядерных Исследований (Дубна) и Туринского университета.

Структура русской версии диссертации совпадает с английским оригиналом. Перевод в полной мере отражает все полученные результаты, детали описания установки и анализа данных, присутствующие в английской версии.

Хочется отметить, что к настоящему моменту в рамках эксперимента COMPASS был осуществлён новый набор данных для измерения поляризуе-мостей 7г-мезона, в процессе подготовки к которому было воплощено в жизнь подавляющее большинство предложений, содержащихся в диссертации.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ГЛАВА 1. Введение 7

ГЛАВА 2. Поляризуемость пиона в теоретических моделях 11

2.1 Киральная теория возмущений (х?Т).................13

2.2 Модель Намбу-Йона-Лазинио (ШЬ)..................14

2.3 Модель конфайнмента кварков (С^СМ) ................14

2.4 Дисперсионные соотношения......................15

2.5 Правила сумм КХД...........................16

ГЛАВА 3. Экспериментальные данные для поляризуемостей пиона 18

3.1 Измерения поляризуемостей пиона в предыдущих экспериментах . 18

3.1.1 Рассеяние пиона на ядерной мишени с испусканием жесткого фотона (СИГМА-АЯКС).........................18

3.1.2 77 взаимодействие в е+е~ столкновениях (РШТО, БМ1, БМ2, МагкП).................................18

3.1.3 Фоторождение пионов (ЪеЬес1еу, МАМ1 А2) ............19

3.2 Реакция примаковского рассеяния...................20

3.3 Общие требования к экспериментальной установке для изучения примаковской реакции .........................25

3.3.1 Мишень.................................25

3.3.2 Пучок..................................26

3.3.3 Детектор................................27

3.3.4 Триггер.................................27

3.4 Измерение поляризуемостей пиона в Серпухове...........27

ГЛАВА 4. Эксперимент СОМРАББ 31

4.1 Физическая программа эксперимента СОМРАЗБ...........31

4.2 Краткая история эксперимента СОМРАББ..............32

4.3 Возможность измерения поляризуемостей пиона на установке СОМРАББ.................................33

4.4 Экспериментальная установка СОМРАББ...............34

4.4.1 Детекторы пучковой части......................35

4.4.2 Спектрометр больших углов.....................37

4.4.3 Спектрометр малых углов ......................37

4.4.4 Трековые детекторы..........................38

Крмниевые микростриповые детекторы ..................39

4.4.5 Мюонные фильтры ..........................42

Вторая мюонная стенка ...........................43

4.4.6 Калориметрия.............................45

Электромагнитный калориметр ECAL2 ..................45

Адронный калориметр HCAL2 .......................47

4.4.7 Изменения в конфигурации установки для предварительного ад-ронного сеанса (2004)..................................................48

4.4.8 Пучки..................................49

4.4.9 Мишени.................................52

4.4.10 Триггер для изучения примаковского рассеяния..........52

4.5 Реконструкция событий и основные параметры установки.....54

4.5.1 Моделирование экспериментальной установки методом Монте Карло..................................54

4.5.2 Программы, используемые в эксперименте COMPASS для обработки и анализа данных........................55

4.5.3 Восстановление треков и импульсов частиц.............56

4.5.4 Процедура выравнивания детекторов................58

4.5.5 Восстановление вершин........................59

4.5.6 Эффективность реконструкции треков и точность.........61

4.5.7 Восстановление энергии в калориметрах COMPASS........61

ГЛАВА 5. Изучение реакции примаковского рассеяния на экспериментальных даных предварительного адронного сеанса 2004 66

5.1 Набор данных в 2004 году........................66

5.2 Изучение фоновых процессов .....................67

5.3 Отбор событий..............................68

5.3.1 Триггерные условия..........................68

5.3.2 Конфигурация треков.........................69

5.3.3 Вершина................................69

5.3.4 Восстановление фотона........................70

5.3.5 Подавление мюонного фона......................70

5.3.6 Многократное рассеяние в мишени .................71

5.3.7 Требование эксклюзивности .....................72

5.3.8 Инвариантная масса конечного состояния .............72

5.3.9 Оценка и вычитание фона от распада 7г°..............73

5.3.10 Оценка полного числа примаковских событий...........75

5.4 Монте Карло моделирование реконструкции реакции примаковского рассеяния на установке COMPASS ...............75

5.5 Примаковское рассеяние на различных ядерных мишенях .....79

5.6 Оценка сечения реакции примаковского рассеяния..........79

5.7 Оценка статистической и систематической ошибки измерения поляризуемостей ..............................80

ГЛАВА 6. Возможность будущих измерений на установке COMPASS 84

6.1 Предложения по изменению конфигурации установки........84

6.1.1 Триггер.................................84

6.1.2 Пучок и канал пучка.........................85

6.1.3 Мишень.................................86

6.1.4 Идентификация вторичных частиц .................87

6.1.5 Использование информации о времени кластера ECAL2.....88

6.2 Оценка возможной точности измерения поляризуемостей пиона в 2009 году.....................................89

6.3 Возможность измерения поляризуемостей заряженного каона в эксперименте COMPASS ........................90

ГЛАВА 7. Заключение 93

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ

В классической физике поляризуемость среды или сложной системы - хорошо известная характеристика, связанная с откликом системы на внешнее электромагнитное поле. Электрическая поляризуемость а есть коэффициент пропорциональности между напряженностью приложенного электрического поля и наведенным электрическим дипольным моментом, в то время как магнитная поляризуемость /3 связывает магнитное поле и наведенный магнитный дипольный момент.

Эта концепция была расширена на случай сложных частиц, таких, как протоны, пионы, каоны и прочие. В случае пиона электрическая (а^) и магнитная {¡Зж) поляризуемости характеризуют отклик внутренней кварко-вой структуры на внешнее электромагнитное поле в процессах, подобных комптоновскому рассеянию 7Г7. Эти величины являются фундаментальными для любой теории, описывающей внутреннюю структуру пиона.

Актуальность темы. Различные теоретические модели предсказывают, что величина аж + близка к нулю, в то время, как предсказания для величины — (Зж значительно различаются и лежат в интервале (6 - 14) х 1(Г4 фм3.

Было предпринято несколько попыток экспериментально измерить эти величины, используя различные подходы. Но поскольку ошибки измерений велики, полученные экспериментальные результаты не могут служить для проверки теоретических предсказаний.

Таким образом, для проверки теоретических моделей и установления границ их применимости необходимы новые прецизионные измерения.

Цель работы. Целью данной работы является изучение возможности измерения поляризуемостей пиона в эксперименте COMPASS (ЦЕРН) в реакции радиационного рассеяния пиона (так называемой реакции Примакова)

тг- + (A, Z) -> 7Г" + (A, Z) 4- 7- (1-1)

Могут быть выделены следующие основные этапы работы:

• разработка и оптимизация критериев отбора, необходимых для выделения примаковских событий;

• изучение фоновых процессов и разработка алгоритма их подавления;

• оценка сечения реакции для различных мишеней;

• изучение аксептанса установки COMPASS для примаковских событий используя метод Монте Карло моделирования;

• оценка возможных статистической и систематической ошибки измерения поляризуемостей в приближении + = 0;

• предложение изменений в конфигурации установки и стратегии набора данных для будущих измерений на установке COMPASS.

Научная новизна:

• в работе представлены первые результаты наблюдения реакции Примакова на установке COMPASS;

• автором сделаны выводы о возможности измерения поляризуемостей пиона в эксперименте COMPASS, на основании анализа предварительных данных, набранных в 2004 году,

• предложены изменения в дизайне установки и стратегии набора данных для оптимизации будущих измерений поляризуемостей пиона.

Практическая ценность. Полученные автором результаты демонстрируют уникальные перспективы осуществления прецизионных измерений аж и (Зп в эксперименте COMPASS (достижимая точность в 4 раза лучше, чем точность лучших предыдущих измерений). Эти результаты уже используются для подготовки нового набора данных. Они также могут быть использованы для планирования новых измерений поляризуемостей различных частиц, таких, как пионы, каоны и т. д. на различных ускорителях.

В ходе работы автором были получены следующие результаты:

• разработан и опробован алгоритм отбора примаковских событий, учитывающий особенности установки COMPASS;

• разработан и опробован алгоритм подавления фоновых процессов, имеющих ту же конфигурацию, что и события примаковского рассеяния пиона;

• получены результаты Монте Карло моделирования реконструкции примаковских событий в детекторе COMPASS;

• оценено сечение примаковского рассеяния для свинцовой, медной и углеродной мишеней;

• оценены статистическая и систематическая ошибки измерения поляри-зуемостей пиона в приближении аж + /Зж = 0;

• предложена оптимизация установки и стратегии набора данных для будущих измерений.

Апробация работы. Результаты выполненной работы были были доложены автором от имени коллаборации COMPASS на следующих международных конференциях:

1. Advanced Study Institute on Symmetries and Spin (SPIN-Praha-2005), Прага, Чехия, 2005,

2. XXXIII International Conference on High Energy Physics (ICHEP'06), Москва, Россия, 2006,

3. The Europhysics Conference HEP 2007, Манчестер, Великобритания, 2007,

4. Hadron Structure (HS 07), Модра-Гармония, Словакия, 2007,

5. Hadron Structure (HS 09), Татраньска Штрыба, Словакия, 2009.

Результаты работы были также опубликованы в следующих статьях:

1. A. Guskov [COMPASS Collaboration], Measurement of the pion poalrizabilities at COMPASS, In *Moscow 2006, ICHEP* 655-658;

2. P. Abbon , ... A. Guskov, ... et al., The Compass Experiment at CERN. NIM, A577, 455-518 (2007);

3. A. Guskov [COMPASS Collaboration], Pion polarizabilities measurement at COMPASS, Fizika, B17, 313 (2008);

4. A. Guskov, Pion polarizabilities measurement at COMPASS, J. Phys. Conf. Ser., 110, 022016 (2008);

5. A. Guskov [COMPASS Collaboration], Plans for a measurement of pion polarizabilities at COMPASS, Nuclear Physics B, 198 1 (2010);

6. Yu. M. Bystritskiy, A.V. Guskov, V.N. Pervushin, M.K. Volkov, Pion Polarizability in the N JL model and Possibilities of its Experimental Studies in Coulomb Nuclear Scattering, Phys. Rev. D80, 114001 (2009);

7. A. Guskov, The Primakoff reaction study for pion polarizability measurement at COMPASS, Phys. Part. Nucl. Lett., 3 59 (2010).

Структура диссертации. Представленная диссертация включает в себя 7 разделов.

Во Введении дается короткий обзор проблемы, указываются цели работы и рассказывается о главных направлениях деятельности.

Предсказания различных теоретических моделей, таких, как киральная теория возмущений, модель Намбу-Йона-Лазинио, правила сумм КХД, дисперсионные соотношения и модель конфайнмента кварков, описаны в главе 2.

Предыдущие эксперименты по измерению поляризуемостей пиона обсуждаются в главе 3. Особое внимание уделено измерениям, выполненным с использованием реакции Примакова в Серпухове.

Глава 4 рассказывает об эксперименте COMPASS. Обсуждается его физическая программа, устройство и функционирование детектора, методы моделирования установки и обработки данных.

Предварительный набор данных с адронным пучком и их анализ обсуждаются в главе 5. В ней также рассказывается о процедуре отбора примаковских событий, изучении фоновых процессов, алгоритме подавления фона, результатах изучения примаковского рассеяния пионов и мюонов на различных мишенях.

Рекомендации по проведению будущих измерений на установке COMPASS представлены в главе 6. В ней обсуждаются изменения дизайна детектора и стратегии набора данных и приводятся оценки для возможных статистической и систематической ошибок. Также рассматривается возможность первого наблюдения примаковского расеяния с участием каонов и измерения поляризуемости каонов.

Результаты работы сформулированы в Заключении.

ГЛАВА 2

ПОЛЯРИЗУЕМОСТЬ ПИОНА В ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

МОДЕЛЯХ

Концепция поляризуемости, хорошо известная из классической физики, впервые была применена к адронам в работах [1]-[3] (см. также [4]). Перенос этой концепции в квантовую физику привлекает к рассмотрению процесс комптоновского рассеяния на соответствующей частице. Для системы, имеющей электрический заряд, рассеяние вблизи порога полностью определяется этим зарядом (томсоновский предел). Электрическая и магнитная поляризуемости определяют поправки следующего порядка по энергии фотонов к амплитуде томсоновского рассеяния.

1) 2) 3) 4)

Рис. 2.1. Диаграммы 1-3 дают основной вклад в амплитуду комптоновского рассеяния. Диаграмма 4 схематически показывает поляризационные эффекты.

Кинематика комптоновского рассеяния может быть описана инвариантными манделыптамовскими переменными:

s=[pi + qif, t=(pi - р2)\ и={р 1 - q2)2, (2.1)

где pi, р2 and qi, q2 4-импульсы пиона и фотона.

Поскольку трудно изучать комптоновское рассеяние на пионе непосредственно, то представляют интерес другие физические процессы с комптонов-ской вершиной. Примерами таких процессов являются: (см. Рис. 2.2, 2.3 ):

• рассеяние пиона на ядерной мишени с испусканием жёсткого фотона, так называемое рассеяние Примакова (t-канал)

и + Z к + Z + 7,

(2.2)

фоторождение пиона (Ч-сЬаппе!)

(2.3)

• рождение тт+п пар в е+е столкновениях (в-канал)

е+ + е~

7Г + 7Г .

(2.4)

Амплитуда комптоновского рассеяния на пионе вблизи порога может быть разложена в ряд по степеням энергий фотонов:

где а - постоянная тонкой структуры, q^ = где 1=1, 2, и ё{ - вектор

поляризации фотона с импульсом и /Зп - электрическая и магнитная

поляризуемости пиона. Они описывают отклик пиона как сложной системы на двухфотонное взаимодействие при низких энергиях так же, как электромагнитный радиус и магнитный момент характеризуют отклик пиона на од-нофотонное взаимодействие.

В нерелятивистском приближении соответствующий член гамильтониана взаимодействия имеет такой же вид, что и гамильтониан взаимодействия среды с внешним электромагнитным полем:

Т(7Г 7 —> и 7) = (---Н апШ1и2) ■ +

а

(2.5)

х ■ (е2 х д2) + ...

(2.6)

Рис. 2.2. Процессы с комптоновской вершиной: 1) Рассеяние Примакова, 2) фоторождение пиона, 3) рождение 7г+7г~ пары.

Рис. 2.3. Манделъштамовские переменные для различных процессов. Точка С - порог реакции 77т —-> 77т ; Точка А - порог реакции 77 —> тхтх [5].

2.1 Киральная теория возмущений (хРТ)

Киральное разложение дает следующее представление для поляризуемо-стей пиона:

борновское приближение 1-петля 2-петли 3-петли аж±(Зж = х (0 + А±х + В±х2 + 0(т^)), (2.7)

тТГ

о

* = ШЩ' ^

где .Ртг = 92.4 МеУ - константа распада пиона. Первая строка показывает число петель диаграмм, необходимых для вычисления коэффициентов А±В±. В соответствии с выражением (2.7) комптоновская амплитуда в рамках хРТ имеет вид

7>г = Т2 + Т4 + Г6 + ..., (2.9)

где член Тп порядка р(п~2\ Это разложение наиболее удобно представить с точки зрения эффективного лагранжиана. Эффективный лагранжиан может быть выражен через пионное поле II , матрицу масс кварков х и вектор внешнего поля г>м:

ЬеИ = Ь2(и, х, + ЪЬ4(и, х, ути) + (2.10)

+?12Ь6(и,х,Ути) +

где Ln означает член порядка рп.

Принимая во внимание только первый член разлож