Дифференциальный черенковский счетчик для исследования редких процессов и его использование в эксперименте по изучению подпорогового рождения К+-мезонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЧЕРЕНКОВСКИЙ СЧЕТЧИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКИХ ПРОЦЕССОВ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПО ИЗУЧЕНИЮ ПОДПОРОГОВОГО РОЖДЕНИЯ К+-МЕЗОНОВ.

Специальность 01.04.16 -Физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 Ь ПАР ГД7

На правах рукописи

Фирозабади Мохаммад Махди

Москва 1997г.

УДК 539.1

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной физики.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Ю.Т. Киселев (ИТЭФ)

Научный консультант: кандидат физико-математических наук,

В.И. Ушаков (ИТЭФ)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Г.А. Лексин (ИТЭФ)

кандидат физико-математических наук, А.Г. Литвиненко (ЛВЭ ОИЯИ)

Ведущая организация: Московский инженерно-физический инстит

Защита состоится 1997г. в часов на заседании специализированного совета Д.034.01.01 по защите докторских диссертаций в ИТЭФ по адресу: г.Москва, 117259, Б.Черемушкинская ул., 25, конференц-зал института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ.

Автореферат разослан оЬчь февраля 1997г.

Ученый секретарь специализированного совета Ю.В.Терехов

Общая характеристика работы.

Первая часть диссертационной работы посвящена созданию диф-еренциального черенковского счетчика с высокой эффективностью и ысоким коэффицентом режекции фона, предназначенного для изучена редких процессов.

Вторая часть работы посвящена эксперименту по подпороговому об-азованию К^-мезонов в рА-столкновеш1ях, выполненому на установ-е, включающей созданный черепковский счетчик.

Актуальность темы.

Развитие релятивистской ядерной физики в последние десятилетия оказало, что в целом ряде процессов ядро выступает как объект, ко-орый не может быть описан как совокупность отдельных слабосвя-шных нуклонов. Примером этого в физике высоких энергий может гаужить ЕМС-эффект, в физике промежуточных энергий - процессы ождения адронов в области, кинематически запрещенной для их об-азования в нуклон-нуклонных соударениях. К последним относятся одпороговое и кумулятивное рождение частиц в рА- и АЛ- взаимо-ействиях. Изучение этого класса явлений дает ценную информацию динамике и структуре ядерной материи на малых межнуклонных асстояниях, высокоимпульсной компоненте волповых функций ядер, варковых степенях свободы в ядрах. Особый интерес представляют анные о глубокоподпороговой и высококумулятивной областях, где чет нормального ферми-движения ядерных нуклонов недостаточен ля описания экспериментальных данных.

Имеющаяся сегодня экспериментальная информация о подпороговом ождении адронов в рЛ-взаимодействиях весьма ограничена. Данные б антипротонах исчерпываются лишь двумя работами [1,2]. Полные ечения подпорогового образования /Г+-мезонов изучались в [3]. Диф-юренциальные сечения глубокоподпорогового рождения К+-мезонов ри одном фиксированном импульсе каонов измерены в работе [4]. [едавно появились предварительные результаты измерений спектров

Г+ и К~- мезонов в околопороговой и подпороговой областях энергий >]■

Прогресс в теоретическом изучении подпорогового рождения частиц протон- ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях привел к созда-ию ряда моделей [6, 7, 8, 9] для интерпретации обсуждаемого яв-ения. Однако численное описание опытных данных затруднено как ядом теоретических неопределенностей, так и бедностью имеющейся егодня экспериментальной информации. В последнее время большой интерес теоретиков и экспериментато-ов вызывает обнаруженный в Беркли [10] и позже подтвержденный в [армштадте [11] эффект аномального усиления выходов подпороговых дронов в столкновенях средних ядер. Для объяснения этого явления спользовались разные идеи от накопления энергии в промежуточных

барионных резонансах [12] до модификации свойств частиц в ядерно среде [13], связанные с ожидаемым увеличением плотности в облает перекрытия сталкивающихся ядер. Последний эффект особенно инт< ресен, поскольку может быть связан с частичным восстановление киральной симметрии при высокой адронной плотности. Поэтому ш лучение новой экспериментальной информации о подпороговом рожд< нии адронов в рА и АА-столкновениях является актуальной задаче современной релятивистской ядерной физики.

Исследования этой области трудны прежде всего потому, что цель: экспериментов являются измерения малых сечений, величина которы лежит в области микробарн и десятков нанобарн. Данная трудност усугубляется необходимостью выделения полезных событий на бол! шом фоне, возникающем от "обычных" протон- ядерных процессо] Как правило, фон на 4 - 7 порядков величины превышает эффект. ! таких условиях надежная идентификация искомых событий являете непростой задачей.

Опыт экспериментального изучения подпороговых и кумулятивны реакций показал, что одним из важных компонентов детектирующе аппаратуры может служить дифференциальный черенковский счет чик.

Цель диссертационной работы.

Настоящая диссертационная работа преследовала две связанны между собой цели:

- разработка, создание и исследование характеристик дифференциал! ного черенковского счетчика без фокусировки для регистрации ре; ких процессов подпрогового рождения Р, .ЙГ*-мезонов и измерения и спектров.

- измерение спектров подпороговых /С+-мезонов, рождающихся во взг имодействиях протонов с ядрами бериллия и меди.

Научная новизина.

В диссертации получены следующие новые результаты.

1. Создан дифференциальный черенковский счетчик без фокусировк обладающий высокой эффективностю регистрации частиц и высоки коэффициентом режекции фона.

2. Впервые измерены дифференциальные сечения подпорогового обрг зования К+-мезонов в диапазоне импульсов 0.675 - 1.15 ГэВ/с в столз новениях протонов с кинетической энерией 1.7 ГэВ с ядрами Ве и Сх

На защиту выносятся.

1. Создание и результаты испытаний дифференциального черенко! ского счетчика.

2. Использование в качестве фотоприемника черенковского излучени фотоумножителей ФЭУ-130, работающих в одноэлектронном режим!

3. Измеренние дифференциальных сечений подпорогового образовани К+-мезонов в диапазоне импульсов 0.675-1.15 ГэВ/с протонами на и рах Ве и Си.

Практическая полезность.

Показана возможность создания дифференциальных черепковских с те2рдым11 рздз'^'^орами ллтт» дающими выш-

кой эффективностью регистрации изучаемых частиц и высоким коэффициентом режекции фона.

Найдена полуэмпирическая формула для оценки сечений оброзова-ния К+-мезонов в разных кинематичесих условиях.

йзмереные спекры К+-мезонов на ядрах Ве и Си могут быть использованы для проверки существующих и создания новых моделей подпорогового рождения адронов в протон-ядерных взамодействиях.

Апробация и публикации.

Основные результаты были доложены на семинаре отдела ядерной физики ИТЭФ. По теме диссертации опубликовано 3 научных работы.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 10 таблиц, 25 рисунков и библиографию, включающую 75 наименований. Полный объем составляет 80 страниц.

Краткое содержание диссертации.

Во введении приводится общая характеристика работы и дано обоснование актуальности темы исследования.

Первая глава диссертации посвящена описанию дифференциального черенковского счетчика, предназначенного для регистрации К± ~ мезонов и антипротонов, сечения рождения которых в 104—106 раз меньше сечений образования частиц в "обычных" протон-ядерных взаимодействиях.

Основные требования, предъявляемые к такому счетчику: -высокая эффективность регистрации частиц;

-возможность идентификации частиц с разными массами в широком

диапазоне импульсов;

-хорошее разрешение по скорости;

-высокий коэффициент режекции фона.

Результатом анализа различных факторов, влияющих на достижение этих требований был выбор варианта кострукции счетчика с твердым радиатором и изменяющейся геометрией кольца фотоприемников.

Рост интенсивности черенковского излучения при уменьшении длины волны показывает, что для увеличения эффективности регистрации частиц счетчиком очень выгодно использование как фотоприемников, чувствительных к коротковолновой части спектра излучения, так и прозрачных в коротковолновой части спектра кристаллических [ кварц (БЮг) типа КУ-1, флюорит (СаР2) ] или жидких радиаторов.

Для получения хорошего разрешения по скорости толщина радиатора не должна быть большой. Оптимальная толщина, обеспечивающая

достаточное количество фотонов в узком конусе излучения, составля ет 1-2 см. Требование регистрации частиц в широком (0.5-2.5 ГэВ/с интервале импульсов должно быть обеспечено возможностью быстро] замены радиаторов.

Для сокращения потерь света между радиатором и фотоприемника ми, особенно в коротковолновой части спектра, был выбран вариант конструкции счетчика, не содержащий таких оптических элементов как линзы, зеркала и т.п. Изменение геометрии кольца фотоприем ников давало вазможность не только настроиться на угол излучения но и уменьшить потери света, связанные с отражением на граница: раздела сред.

Режекция фона обеспечивалась как относительно высокой для счет чихов с твердыми радиаторами разрешающей способностью по ско рости, так и использованием эффекта полного внутренного отражена света в радиаторе для подавления фона 7г~мезонов.

Существенным для достижения указанных выше требований яв лялось использование в качестве фотодетекторов фотоумножителе! ФЭУ-130 с низким уровнем собственных шумов и высокой квантово! эффективностью в коротковолновой части спектра.

Конструкция счетчика и система дистанционного управления.

Схематический чертеж дифференциального счетчика представлен ш Рис.1. Черенковское излучение, возникающее в радиаторе 2, выходи: в воздух под углом вы относительно оси пучка 1 и попадает на фо токатоды двенадцати фотоумножителей 3, помещенных в магнитны« экраны. Каждый фотоумножитель закреплен в соответствующем ем; шарнирном механизме 4. Оси фотоумножителей расположены на ко нической поверхности, угол которой составляет с осью пучка ~ в, и может изменяться при помощи механизма регулирования. Каретк: продольного перемещения 5, на которой размещены шарнирные меха низмы и фотоумножители, может изменять положение относительш радиатора за счет движения вдоль оси пучка.

Дистанционное управление продольным и угловым положениям! фотоумножителей выполнялось с помощью блока электронной систе мы управления, цифрового контроля и индикации углов и перемеще ний, расположенного вне зоны пучка и связанного с механизмами пере мещения и реостатными датчиками контроля положений многожиль ным кабелем. Система управления продольным и угловым перемеще ниями фотоумножителей, состояла из двух независимых идентичные электрических схем.

Вторая глава посвящена регистрации фотонов черепковского из лучения фотоумножителем ФЭУ-130, работающим в одноэлектроноь режиме.

Регистрация одиночных фотонов оптического диапазона с помощь» фотоэлектронных детекторов, обеспечивающих четкое амплитудно<

>ис. 1: Схематический чертеж счетчика: 1- ось пучка; 2- радиа-'ор; 3-фотоумножители кольца ; 4-шарнирный механизм регулирова-1ия угла; 5-каретка продольного перемещения; 6- электромоторы; 7-рапециевидный винт; 8- компенсирующая муфта; 9- червячная шес-'ерня; 10- диск шарнирных механизмов; 11- фотоумножители анти-овпадений.

разрешение пиков, соответствующих одному, двум и т.д. фотоэлектро нам, является важным методом измерений во многих областях науки связанных с измерениями слабых световых потоков.

Перспективным является применение режима регистрации одиноч ных фотонов при создании детекторов излучения Черенкова, особен» в черенковских детекторах с формированием кольцевого оптическое изображения (RICH-детекторы, дифференциальные счетчики).

Применение метода регистрации одиночных черенковских фотона и связанная с этим возможность снижения интенсивности зарегистри рованных шумовых импульсов с помощью правильного выбора ниж него и верхнего порогов срабатывания в электронном канале каждо го фотоприемника являются интересной возможностью улучшения ха рактеристик черенковских детекторов.

Случайный характер процесса вторичной эмиссии и малое коли чество вторичных электронов позволяют описать распределение п числу вторичных электронов законом Пуассона. Отсюда можно полу чить оценки дисперсий o2Mi = М\ и о2и — Ми простое выражение дл относительной дисперсии одноэлектронного, двухэлектронного и т.х пиков при фиксированных количествах фотоэлектронов Mo = 1,2,3 : т.д. :

А2 МоМ^М - 1)'

где М\ -среднее число вторичных электронов, эмиттированных пер вым динодом, изготовленным из материала с большим коэффиценто! эмиссии, соответствующее одному фотоэлектрону падающему на пер вый динод,

-дисперсия числа вторичных электронов в процессе умножения н первом диноде,

А/-среднее значение коэффициента вторичной эмиссии для динодо] начиная со второго, = М% —.....= Мк = М,

а^-дисперсия числа вторичных электронов, соответствующая одном электрону падающему на 2-ой,3-ий и т.д. динод, А = М<] ■ М\ • М2 • М-1 • ... • Мк~ амплитуда сигнала на аноде ФЭУ с динодами,

о^-дисперсия амплитуды сигнала на аноде ФЭУ.

Измерения характеристик фотодетекторов в режиме счета отдел! ных фотонов могут быть выполнены несколькими методами в том чш ле, с помощью быстрых электронных светодиодных генераторов, коте рые помимо слабых световых импульсов-вспышек одновременно вырг батывают электронные импульсы для синхронизациии работы узле установки, формирования импульсов ворот для запуска блоков прео( разования амплитуд и т.д.

С помощью электронной аппаратуры проведены измерения одш электронных характеристик восемнадцати фотоумножителей ФЭУ 130, предназначенных для регистрации малых световых потоков. И: мерения выполнены при различных напряжениях на умножителя: при различных интенсивностях импульсных засветок фотокатодов, н<

чиная с малых, соответствующих относительно малым вероятностям образования на фотокатоде двух и более фотоэлектронов, и кончая засветками с интенсивностями, приводящими к образованию в среднем иь.или 4-5 фй1иЭЛслЛ рипОЬ.

На Рис.2 представлены спектры, измеренные при трех различных импульсных освещенностях, начиная с относительно малых, обеспечивающих приблизительное равенство вероятностей одно- и двухфото-электронных компонент спектра, и кончая относительно большой освещенностью, при которой наиболее вероятными становятся события с 3-мя - 5-ю фотоэлектронами. Обратим внимание на резкое уменьшение количества событий в области пика-пьедестала, соответствующих отсутствию фотоэлектронов , как и можно было бы ожидать исходя из закона Пуассона с величиной ~ 4.

Третья глава посвещена изучению характеристик дифференциального черенковского счетчика. Кратко описан метод измерения характеристик счетчика в пучке вторичных частиц ускорителя ИТЭФ.

а) Эффективность регистрации частиц.

Оценку эффективности регистрации частиц дифференциальным че-ренковским счетчиком с кольцом фотокатодов 12-ти умножителей ФЭУ-130 можно получить следующим образом. Вначале можно вычислить эффективность регистрации фотонов одним фотоумножителем, затем вычислить эффективность одновременного срабатывания п и более фотоумножителей из полного количества N.

Результаты оценки эффективности регистрации черенковского излучения К4-мезонов с импульсами 0.675, 0.806, 0.904 ГэВ/с одним фотоумножителем р при уровнях дискриминации электроники, соответствующих эмиссии одного и более фотоэлектронов, приведены во втором столбце таблицы 1. В первом столбце же приведены и Ыр.е-средние числа фотоэлектронов, эмиттированных одним фотокатодом.

Вычисление эффективности регистрации черенковского излучения кольцом из N фотоумножителей выполнялось в предположении равной эффективности регистрации для каждого фотоумножителя с помощью биномиального распределения:

л

где вероятность регистрации черенковского излучения п и более фотоумножителями при их полном количестве в кольце дифференциального счетчика N5 р-вероятность регистрации излучения одним фотоумножителем.

В трех последних столбцах таблицы 1 представлены результаты расчета вероятностей регистрации черенковского излучения 8-мью и более, 9-тью и более, 10-тью и более умножителями из 12-ти, при пе-

О 100 200 300 400 500

Pulse he¡ghí(arbitrary units)

Рис. 2: Амплитудные распределения импульсов ФЭУ-130 при больших интенсивностях импульсных засветок фотокатода.

чении кварцевого радиатора А"±-мезонами с импульсами 0.675, 0.806, 0.904 ГэВ/с.

лии.шд^и ж

Рк, ГэВ/с Р %

0.675 1.744 0.825 0.956 0.856 0.648

0.806 3.311 0.963 1.0 1.0 0.99

0.904 2.311 0.90 0.99 0.97 0.89

Эффективность регистрации идентифицируемых частиц и относительное разрешение дифференциального счетчика Черенкова <Т/з//3 измерялись в пучке вторичных частиц ускорителя ЙТЭФ, оборудованном двойной время-пролетной системой, использующей сцинтилляци-онные счетчики. Измерения выполнялись при нескольких вариантах включения мажоритарной схемы совпадений, соответствующих срабатыванию 8-ми и более, 9-ти и более, 10-ти и более фотоумножителей кольца. Эффективности регистрации частиц дифференциальным счетчиком определялись как отношение чисел срабатываний 8-ми и более, 9-ти и более, 10-ти и более фотоумножителей (каналов мажоритарной схемы совпадений ) к числу частиц, зарегистрированных сцин-тилляционными счетчиками. После каждой перестройки пучка частиц на новый импульс производилась юстировка счетчика Черенкова с помощью механизмов продольного и углового перемещений фотоумножителей для получения максимального значения величин эффективнос-тей. Измерения эффективности регистрации К^-мезонов дифференциальным счетчиком были выполнены с помощью протонов, имеющих скорости равные скоростям К±-мезонов.

В таблице 2 приведены результаты измерений эффективностей регистрации #+-мезонов с импульсами 0.675, 0.806, 0.904 ГэВ/с, полученные с помощью специально изготовленной для описываемого счетчика 12-ти канальной мажоритарной схемы совпадений при срабатывании 8-ми и более, 9-ти и более и 10-ти и более ее каналов.

Таблица 2

Рк ГэВ/с V? и12 % ч15

0.675 0.96 0.845 0.635

0.806 1.0 0.98 0.885

0.904 0.99 0.941 0.78

Сравните данных таблиц 1 и 2 показывает неплохое согласие экспериментальных и расчетных величин эффективностей регистрации.

б) Разрешающая способность счетчика.

Разрешающая способность дифференциального счетчика Черенкова по скорости /3 определяется выражением

radiator quartz t= 16 mm • eff. e " eft. 8

0.68 0.72 0.76 O.fiO 0.84 0.8S

P

РисЗл Зависиносп эффешвносш регистрации частиц от их скорости при использовании кварцевого радиатора i= 9 им.

£ ш

&

С 50 1

ш о

с до

-f-

0.(9 0 7! 0.75 0.73 9Л1 СМ СЛТ Ш

РнсЗ.б Зшснмость эффектности решстрации частиц от га скорости при испальювании радиатора из фшоорита t= 16 мм.

кварцевым радиатором, полученные в пучке протонов со скоростями равными скоростям К+-мезонов с импульсами 0.65 и 0.897 ГэВ/с. В таблице 4 представлены результаты, измеренные как с 10-ти канальной Мажирп 1 арной СлёмОп совпадении 1лп. и Силсе ПОЗДКИс рсЗуЛЬТлТЫ, полученные с помощью 12-ти канальной схемы.

Таблица 4

6 фэу из 10 8 фэу вз 10 8 фэу из 12 10 фэу из 12

Ртах 0.796 0.796 0.876 0.876

0.0175 0.008 0.0225 0.0138

0.022 .010 0.026 0.016

Видно, что экспериментальные и расчетные величины разрешений находятся в достаточно хорошем согласии.

в) Подавление фоновых частиц.

При идентификации весьма редких частиц очень непростой задачей является подавление фоновых частиц, составляющих основной поток: например, протонов и пионов при регистрации антипротонов или каонов. Поэтому в исследованном дифференциальном счетчике сделана попытка использовать явление полного внутреннего отражения от передней и задней граней радиатора для регистрации черенковского излучения от быстрых пионов для подавления пионного фона с помощью каналов антисовпадений. На схематическом чертеже (Рис.1) показаны два фотоумножителя 11, находящиеся в оптическом контакте с верхним и нижним торцами радиатора и предназначенные для регистрации фотонов, испытавших полное внутреннее отражение. Для регистрации черенковского излучения пионов с помощью метода полного внутреннего отражения нужно выбрать подходящее вещество для радиатора, т.к. этот режим возможен, если скорость пиона больше

где п- показатель преломления вещества радиатора. Необходимо, чтобы коэффициент преломления этого вещества был больше \/2~ 1.414. В таблице 5 приведены характеристики радиаторов, которые могут быть применены в различных диапазонах импульсов для регистрации Я -мезонов дифференциальным счетчиком и одновременно для подавления фона пионов с помощью эффекта полного внутреннего отражения.

Таблица 5

формула вещество п(А=400 нм) Ртах ргт\п ГэВ/с ртах ГэВ/с

А12ОЗ сапфир ~ 1.78 0.56 0.67 0.33 0.44

ВаГ2 фтористый барий -1.48 0.711 0.897 0.5 1.0

БЮг кварц 1.47 0.711 0.912 0.5 1.1

СаГ2 флюорит 1.44 0.711 0.960 0.5 1.7

С3Я5(ОЯ) з + нго смесыглидерип +ВОДЗ ~1.42 0.912 0.987 1.1 3.0

Кварц в качестве радиатора для регистрации Х±-мезонов и подавления фона от я^-мезонов можно использовать в интервале импульсов от ~0.5 до ~1.1 ГэВ/с. При регистрации Л^-мезонов в диапазоне импульсов 0.5-1.7 ГэВ/с и подавления фона в качестве радиатора че-ренковского излучения предпочтителен выбор кристаллов флюорита СаРг с коэффициентом преломления п ~ 1.44.

г) Оценка режектирующей способности счетчика.

Под режектирующей способностью системы идентификации будем понимать минимальную величину отношения числа К+-мезонов к числу 7Г+-мезонов, при которой возможно надежное выделение каоных событий. В условиях реального эксперимента истинные каонные события могут быть имитированы как 7г-мезонами и протонами, так и независящими от времени фоновыми событиями.

На Рис.4 показана гистограмма времен пролета ТОР-2, полученная при измерении выхода К+-мезонов с импульсом 0.675 ГэВ/с из ядер Ве. На основании анализа этой гистограммы режехтирующая способность счетчика была оценена как Н^ ~ Ю-*4. Это означает, что при регистрации описанным выше черенковским счетчиком Я"+-мезонов, вклад 7г+-мезонов и фоновых событий будет подавлен в 104 раз.

д) Выводы

Таким образом, основной результат первой части диссертации (главы 1,2,3) состоит в том, что экспериментально показана возможность надежной идентификации редких частиц с помощью созданного диф-ференцального черенковского счетчика.

Четвертая глава посвящена рождению подпороговых К+-мезонов в протон-ядерных столкновениях.

Импульсные распределения нуклонов в ядрах с массовым числом более 4 изучались в таких процессах как выбивание ядерных фрагментов (р,с1), рассеяние электронов на ядрах (е,е' ), квазиупругое рассеяние электронов (е,е' р) и протонов (р,2р). Результатом этих исследований было получение обширной информации об однонуклонных волновых функциях ядер в области импульсов, не превышающих границу Ферми. Высокоимпульсная (двухнуклонная) компонента распределения, возникающая из-за наличия в ядрах нуклон-нуклонных корреляций, изучалась в (е,е' )-реакциях при больших переданных импульсах и в фотоядерных (7)Р) процессах.

Альтернативным источником информации об импульсном распределении ядерных нуклонов и, в частности , об его высокоимпульсной компоненте может являться процесс подпорогового образования адро-нов на ядрах. Подпороговыми принято называть реакции рождения частиц за пределами кинематики столкновения свободных нуклонов. Преимуществом подпороговых процессов служит то обстоятельство, что дефицит энергии столкновения существенно сокращает число воз-

45"

40

35

301

25

20

15

Ю"

Рк+=0.675 GeV/c Т0-1.7 GeV Target: Be Sum =186.0

J

Д-

600 700 800 900 1000 TOF-2 (arbitrary units)

—i 1100

Рис.4: Гистограмма времен пролета TOF-2.

можных каналов образования изучаемых адронов.

В последнее время большой интерес вызывает эффект аномального усиления выходов подпороговых адронов в столкновенях средних ядер[10,11].

По изложенным причинам получение новых экспериментальных данных по подпороговому рождению адронов в протон-ядерных столкновениях и их количественное описание являются необходимыми шагами на пути к объяснению специфических ядро-ядерных явлений.

В настоящей работе были измерены спектры подпороговых К+-мезонов, рожденных во взаимодействии протонов с ядрами бериллия и меди. Выбор положительно заряженных каонов мотивирован тем, что из всех адронов они имеют самые малые сечения взаимодействия с нуклонами.

а) Проведение измерений.

Эксперимент был выполнен на внутреннем пучке протонного синхротрона ИТЭФ. Вторичные частицы, рождающиеся под углом 10.5 градусов во взаимодействиях протонов с кинетической энергией 1.7 ГэВ с тонкими (50-100мкм) мишенями из бериллия и меди, регистрировались двухступенчатым Фокусирующим Адронным Спектрометром (ФАС), состоящим из двух отклоняющих магнитов и двух дублетов квадруполъных линз. Импульсное разрешение спектрометра составляет ±1%, аксептанс с!р сШ/р ~ 1.10~ьмср%. Длина магнитного канала от мишени до последнего счетчика, участвующего в идентификации каонов, равна 31 метру. Схема экспериментальной установки показана на Рис.5. Спектрометр оснащен описанным выше дифференциальным черенковским счетчиком СО и двумя системами измерения времени: ТОГ-1 на базе 17 метров между сцинтиляционными счетчиками Б1, Б4 и ТОГ-2 на базе 11.5 метров между счетчиками Б2, Э4. Для наблюдения положения и формы пучка во втором фокусе магнитного канала используется двухко ординатная пропорциональная камера 1.

Триггер для выделения редких событий рождения подпороговых К+-мезонов на большом фоне 7Г+-мезонов и протонов включал сигналы системы ТОГ-1, настроенной на время пролета К+-мезонов, сигнал мажоритарной схемы, соответствующий срабатыванию 8 фотоумножителей кольца черенковского счетчика и требование отсутствия сигналов антисовпадений.

Кинетическая энергия протонного пучка контролировалась путем измерения ускоряющей частоты синхротрона и была известна с точностью около 4 МэВ.

Идентификация К+-мезонов была надежной при всех измеренных импульсах каонов. Пример спектра ТОГ-2, измеренного при импульсе 0.675 ГэВ/с на бериллиевой мишени, соответствующий наименьшей величине отношения К+ : 7Г+ : р — 1 : 2.1 х 10+5 : 4.5 х 10+б, приведен на Рис.4. Отчетливо виден пик, содержащий 185 К+-мезонных событий. Пионный и протонный фоны в области 655 и 1100 каналов, соответственно полностью отсутствуют. Единственное фоновое событие наблюдается правее от каонного пика.

1-пропорциональная камера;

CD- дифференциальный черенковский счетчик .

Измерение дифференциальных сечений подпорогового рождения Я^-мезонов на ядрах Ве и Си были проведены при 5 фиксированных импульсах 0.675, 0.806, 0.94, 1.05 и 1.15 ГэВ/с.

б) Обработка данных и вычисление сечений.

Записанные на жесткий диск ЭВМ файлы, соответствующие каждому импульсу Х+-мезонов. анализировались с целью определения величин отношений чисел К* и 7г+-мезонов

Величины дифференциальных сечений образования ,К"+-мезонов с импульсом р\ вычислялись по формуле:

(гл ) = \ ЯкМ+)'Ск+№)

где ¿2ст/ф^П(р5г+)-дифференциальное сечение рождения 7Г+-мезонов с импульсом р' , Нк+(Рк+)1№тг+(Рх+)- величина описанного выше отношения, Ск+(р1) и Сл+(рг) - поправки, связанные с распадом мезонов, их многократным рассеянием и ядерным взаимодействием в веществе спектрометра. Поскольку в формулу входит отношение Ск+/Сп+, существенно разными оказываются только поправки на распады мезонов. В сечения образования .К^-мезонов при импульсах 0.675 ГэВ/с и 0.806 ГэВ/с были внесены поправки 10% и 5%, учитывающие большее по сравнению с тг+-мезонами многократное рассеяние медленных каонов.

Абсолютные значения дифференциальных сечений образования 7Г+-мезонов в интересующем нас диапазоне импульсов на ядрах Ве и Си при энергии протонов 1.7 ГэВ были измерены ранее в отдельном эксперименте.

Таблица 6 содержит величины инвариантных сечений Еёсг/сРр [мкб.ср-1.ГэВ"2с3] подпорогового образования К+-мезонов в диапазоне импульсов 0.675-1.28 ГэВ на ядрах Ве и Си под действием протонов с кинетической энергией 1.7 ГэВ. Статистические ошибки измерений для разных импульсов не превышают 10%. Общая для всех импульсов каонов погрешность, связанная с абсолютной нормировкой пионных сечений и погрешностью введения поправок, составляет 18%.

Таблица 6.

Рк+, ГэВ/с 0.675 0.806 0.940 1.05 1.15 1.28

Бе 121 104 43.6 1.07 2.80 0.072

Си 308 212 87.7 33.3 8.40 0.34

Зависимость инвариантных сечений от импульса каонов в лабораторной системе показана на Рис.6. Сечение при Р#+=1.28 ГэВ/с взято из

- 10-'с.

п О <ч

С 10' ф

о *

10

£

1

а

Г>

т> \ ь

х>

ш _ 10

-2 10

- " ■ ♦

: ♦ ♦ *

:

- *

• о Ве ф

■ и Си

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 iliiiii.il— М 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0.6 0.7 0.8 0.9 1

1.1 1.2 1.3 1.4

Р* СеУ/с

Рис. 6: Зависимость инвариантных сечений подпорогового образования К -мезонов на ядрах Ве и Си от импульса каона.

в) Анализ данных.

в.1) Механизмы подпорогового образования каонов.

Из-за дефицита энергии столкновения за подпороговое образование Л' ; -мезонов могут быть ответственны два механизма, ххсрьый-рождение каонов в одноступенчатом (прямом) взаимодействии налетающего протона с внутриядерным нуклоном, несущим достаточно большой встречный импульс (Рис.7а). Второй -двухступенчатый (каскадный ) процесс, включающий в себя образование энергичного тг-мезона в первом столкновении с ядерным нуклоном и рождение /Г+-мезона во взаимодействии пиона с другим нуклоном ядра-мишени (Рис.7б).

(а) (б)

Рис.7: Диаграммы рождения К+-мезонов в прямом (а) и каскадном

(б) процессах.

Проведено сравнение кинематики двух механизмов рождения указывающее на вероятное доминирование прямого механизма рождения .Й"+-мезонов с импульсами более 1.0 ■{-1.1 ГэВ/с.

в.2) А-зависимость сеченний образования К+-мезонов. Существует экспериментальная возможность различить два обсуждаемых механизма путем анализа зависимости сечений рождения каонов от массового числа ядра-мишени. В сечение двухступенчатого процесса входит вероятность столкновения тг-мезона с нуклоном ядра, пропорциональная длине пробега пиона в ядре. Поэтому А-зависимость каскадного процесса должна быть сильнее, чем прямого

на величину ~ А1' К

Обычно эту зависимость характеризуют величиной показателя степени а при описании экспериментальных инвариантных сечений /д функцией вида

где с-константа, а-величина показателя степени, а = 1п

Получено, что величины а слабо зависят от импульсов каонов. Среднее значение а соствляет около 0.55 и несколько меньше наблюдаемого в работе [4] в которой согласно анализу авторов, главный вклад в сечение вносит одноступенчатый механизм рождения Й^-мезонов.

Таким образом, наблюдаемый характер А-зависимости является экспериментальным указанием о преобладающем вкладе прямого процесса в образования А'+-мезонов в условиях выполненного эксперимента.

в.З) Спектры -Й^-мезонов.

Имеющаяся сегодня экспериментальная информация о дифференциальных сечениях подпороговго образования If+-мезонов в протон-ядерных взаимодействиях исчерпывается двумя работами [5,4], выпол-неными в разных кинематических условиях.

Естетвенно предположить, что наиболее существеным параметром, определияющим вероятность образования подпороговых частиц, является минимальная величина импульса ядерного нуклона qm;n, необходимая для преодоления порога реакции в прямом процессе. Зависимости дифференциальных сечений рождения Х+-мезонов от qrmn, полученные в трех имеющихся в нашем распоряжении экспериментах, представлены на Рис.8. Видно, что все известные данные группируются в довольно узкие полосы. Наблюдаемая универсальность дает возможность предсказать сечения подпорогого образования /Г+-мезонов в любых кинематических условиях с точностью около 50 %, что очень полезно при планировании новых экспериментов.

Аппроксимация функцией / = Cexp(—qmin/q0) данных настоящей работы и сечений, полученных в [4] при той же энергии протоного пучка для К+-мезонов с импульсом 1.28 ГэВ/с показана на Рис.9 а,б. Минимальные импульсы qm;„ вычислены для процесса рождения каонов в прямом процессе. Точки при минимальном импульсе Рк+= 0.675 ГэВ/с не включены в аппроксимацию, так как они находятся очень близко к порогу реакции. Видно, что выбранная зависимость хорошо описывает сечения, изменяющиеся на три порядка величины. Параметры наклонов спектров =61.7 МэВ/с и 65.0 МэВ/с численно характеризуют экспоненциальное падение вероятности найти в ядрах нуклоны с все большими импульсами.

В работе [4] приведены аргументы в пользу рождения К+-мезонов в одноступенчатом процессе. Возможность совместного описания данных двух экспериментов является еще одним свидетельством преобладающего вклада одноступенчатого механизма рождения К+-мезонов в условиях описанного эксперимента.

в.4) Модельное описание спектров каонов

Наиболее теоретически развитой моделью для описания подпорого-вого образования адронов в протон-ядерных и ядро-ядерных столкновениях является Модель Свертки (Folding Model) [7,8,9]. Совпадение абсолютных величин сечений как функции qс полученными в [4] .и

- 10' I

со

го о

СМ -7

103[

ф

о *

5 ю2£ >

о.

ю

^О 10

ь

"О

ш

1

-1 10

фф

о /4/ а оиг data

о /14/ .. /4/ • оиг data

' ' ' I I ' I ' I ' I ' '

Си х10

* о

Ве

|' 111111111111111111111

0 0.05 0,1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Я™, СеУ/с

Рис. 8: Зависимость инвариантных сечений от дтт-

наблюдаемый характер А-зависимости свидетельствуют в пользу доминирования одноступенчатого механизма рождения _К"+-мезонов. Поэтому нами была предпринята попытка описать полученные экспериментальные спектры в рамках варианта Модели Свертки для прямого процесса.

Согласно модели инвариантное сечение образования АГ+-мезонов на ядрах может быть записано в виде свертки импульсного распределения нуклонов в ядре с сечением рождения каона в столкновении с отдельным ядерным нуклоном.

Е^РА К+Х) = Nj K+AN)

Здесь Ф(д)-импульсное распределение внутриядерных нуклонов; F — [(ро + q)2 — m2fi2]1/2 -потоковый фактор, зависящий от четырехмерных импульсов и масс налетающего протона и ядерного нуклона; N-нормировочный множитель, величина которого может быть вычислена в рамках глауберовского приближения; ^^-инвариантное сечение образования К+-мезона с регистрируемыми кинематическими параметрами в индивидуальном столкновении налетающего протона с ядерным нуклоном при энергии S1^2, где S—(po + q)2.

Из-за отсутствия надежных экспериментальных данных по рождению -К"+-мезонов на нуклонах вблизи порога сечение E^(PN — К+Х) полагалось пропорциональным величине фазового объема реакции при данном 51/2.

Написанный интеграл является трехкратным, так как величина сечения зависит не только от абсолютной величины |д], но и от двух углов его ориентации относительно вектора импульса налетающего протона. Интегрирование по q проводилось от qдо qniax, определенного из требования (г > 0. Следуя работам [4,14], импульсное распределение ядерных нуклонов записывалось в виде сумы двух гауссианов

I — h , <Г \ h . q1 . т = -з-ехр!-^) + ^ехр(-^).

Первый член описьшает обычное ферми-движение, второй-его высокоимпульсную компоненту. Дисперсия а2 связана с граничным ферми-импульсом Рр соотношением erf = Отношение предэкспоненци-

альных коэффицентов 7 = ^jf характеризует вклад высокоимпульсной компоненты численно близкий к 0.01. Для расчетов были использованы параметры сг1=0.115 ГэВ/с, <г2=0.225 ГэВ/с , h=0.08, полученные в [4] при описании энергетической зависимости подпорогового образования быстрых К+-мезонов.

Нормировка расчетных зависимостей инвариантных сечений рождения каонов от их импульса была произведена при Рь=1.28 ГэВ/с,

где, как уже неоднократно отмечалось, преобладающий вклад в сечение вносит механизм одноступенчатого образования Х+-мезонов. На Рис.10 а,б результаты расчетов (сплошные кривые) представлены вместе с экспериментальными данными. Качество описания харакхри-зуется величинами х2 /пЛЛ. ~ 1 для обоих ядер. Пунктирные кривые на рисунках - результат вычисления сечений при Ь=0. Пунктирные кривые нормированы в точке Р^—0.675 ГэВ/с. Видно, что высокоимпульсная компонента импульсного распределения ядерных нуклонов вносит значимый вклад в сечения образования ЛГ+-мезонов с импульсами > 1 ГэВ/с.

Хорошее согласие результатов расчета с экспериментом является третьим аргументом в пользу преобладающего вклада прямого механизма в сечения подпорогового образования А"+-мезонов протонами в изученном диапазоне импульсов.

Таким образом, проведенный анализ полученных данных по образованию -мезонов свидетельствует в пользу доминирования одноступенчатого механизма в подпороговом образовании .ЙГ+-мезонов с импульсами от 0.675 до 1.28 ГэВ/с.

Это утверждение основано на:

- возможности совместного описания измеренных в настоящей работе спектров с данными работы [4], где главный вклад в сечение вносит прямой механизм рождения подпороговых К+-мезонов;

- наблюдаемом характере А-зависиности сечений;

- хорошем описании спектров в рамках варианта Модели Свертки для прямого процесса.

Основные результаты диссертационной работы.

1. Спроектирован и изготовлен дифференциальный черенковский счетчик для изучения редких ядерных процессов, обладающий высокой эффективностью регистрации частиц и высоким коэффицеинтом режекции фона.

2. В качестве фотоприемников черенковского излучения использованы фотоумножители ФЭУ-130, работающие в одноэлектронном режиме, обладающие низким уровнем собственных шумов и высокой квантовой эффективностью фотокатодов в коротковолновой части спектра.

3. Впервые измерены дифференциальные сечения подпорогового образования К+ -мезонов в диапазоне 0.675-1.15 ГэВ/с в столкновениях протонов с кинетической энергей 1.7 ГэВ с ядрами Ве и Си.

4. Проведенный анализ данных по образованию /С+-мезоиов свидетельствует в пользу доминирования одноступенчатого механизма в подпороговом образовании К+-мезонов с импульсами от 0.675 до 1.28 ГэВ/с.

10

w 102

rt

0

ы

1

>

й) о

X

Е ¿

« ь

"О

ш

-1

10

1.613 / 3 213.2 .6173Е-01

I I I I I I I I I I и I I I I . I I I I I I I

(О 1

о

i

>

аз

О *

л

-Ы.

Е »

а

о

"О

10-

10

to

"О

ш

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

qmîn, GeV/c а

5.353 / 3 486.5 .6495E-0t

_XJ_1J-Ll. I I

-L

0.1 0.2 0.3 0.4

Я min» GeV/ с Ь

Рис. 9: Аппроксимация спектров 1£"+-мезонов (а-Ве , б-Си).

- 1СГ i

v_

(Л

и ю2

см

О 10

jQ £• 1

Q_ -1

" 10 Т?

Ь -2

~о ю

LU

-3 10

—4 10

р Exp.data » □ h=0.08 L h=0

10'

Ь -2 T3 10 Lü

10

a

0.6 0.8 1 1.2 1.4

-4 10

Exp.data :□ h=0.08 L h=0

Pk, GeV/c

0.6 0.8 1

PK, GeV/c

1.2 1.4

/

Рис. 10: Модельное описание спектров К+-мезонов (а-Ве , б-Си).